《电思维导图》
一、 电的基本概念
1.1 电荷
- 定义：构成物质的基本粒子所带的属性，有正电荷和负电荷两种。
- 单位：库仑 (C)
- 静电现象：由于物体带有过剩的正负电荷而产生的现象，例如摩擦起电。
- 电荷守恒定律：在一个封闭系统中，正负电荷的总代数和保持不变。
1.2 电场
- 定义：存在于带电体周围的空间，能够对其他电荷产生力的作用。
- 电场强度：描述电场强弱和方向的物理量，等于单位正电荷在电场中所受的力。
- 电场线：一种假想的线，用来形象地描绘电场的分布。电场线的疏密表示电场强弱，切线方向表示电场方向。
- 电势：描述电场中某一点电势高低的物理量，等于单位正电荷在该点所具有的电势能。
- 电势差 (电压)：电场中两点之间电势的差值，是使电荷定向移动形成电流的原因。
1.3 电流
- 定义：电荷的定向移动形成电流。
- 单位：安培 (A)
- 电流方向：正电荷定向移动的方向规定为电流方向，实际是电子定向移动的相反方向。
- 电流强度：描述电流大小的物理量，等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。
- 直流电 (DC)：电流的方向和大小不随时间变化的电流。
- 交流电 (AC)：电流的方向和大小随时间周期性变化的电流。
1.4 电压
- 定义：产生电流的原因，是驱动电荷移动的电势差。
- 单位：伏特 (V)
- 电压源：提供电压的装置，如电池、发电机。
- 电压表：测量电路中两点电压的仪器，并联在电路中使用。
1.5 电阻
- 定义：导体对电流的阻碍作用。
- 单位：欧姆 (Ω)
- 欧姆定律：导体中的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。 (I = U/R)
- 电阻率：描述材料导电性能的物理量，与材料的性质有关。
- 电阻的影响因素：材料、长度、横截面积、温度。
1.6 电功率和电能
- 电功率：单位时间内电流所做的功，描述电流做功的快慢。
- 单位：瓦特 (W)
- 电功率的计算公式：P = UI = I^2R = U^2/R
- 电能：电流所做的功，衡量电能转换的量。
- 单位：焦耳 (J) 或千瓦时 (kWh)
- 电能的计算公式：W = Pt = UIt = I^2Rt = (U^2/R)t
二、 电路基础
2.1 电路的组成
- 电源：提供电能的装置。
- 负载：消耗电能的装置，如灯泡、电机。
- 导线：连接电路各元件的导电通路。
- 开关：控制电路通断的装置。
2.2 电路的状态
- 通路：电路中电流能够通过的闭合电路。
- 断路 (开路)：电路中某处断开，电流无法通过的电路。
- 短路：电路中不经过用电器而直接将电源两极连接起来的状态。短路会导致电流过大，烧毁电路元件。
2.3 电路的连接方式
- 串联电路：电路元件逐个顺次连接，电流只有一条路径。
- 串联电路的特点：电流处处相等，总电压等于各部分电压之和，总电阻等于各部分电阻之和。
- 并联电路：电路元件并列连接，电流有多条路径。
- 并联电路的特点：各支路电压相等，总电流等于各支路电流之和，总电阻的倒数等于各支路电阻倒数之和。
- 混联电路：电路中既有串联连接又有并联连接的电路。
2.4 电路分析方法
- 节点电压法：以电路中的节点为参考点，列出节点电压方程求解。
- 回路电流法：假设电路中存在回路电流，列出回路电流方程求解。
- 叠加定理：线性电路中，多个电源共同作用时，电路中任一支路的电流或电压等于每个电源单独作用时，该支路电流或电压的代数和。
- 戴维南定理：任何一个线性电路，对外电路而言，都可以等效为一个电压源与一个电阻的串联。
- 诺顿定理：任何一个线性电路，对外电路而言，都可以等效为一个电流源与一个电阻的并联。
2.5 电路保护
- 保险丝：在电路电流过大时熔断，切断电路，保护电路元件。
- 空气开关：具有过载和短路保护功能的开关，可以自动跳闸切断电路。
- 漏电保护器：检测电路中的漏电电流，当漏电电流超过设定值时，自动切断电路，防止触电事故。
- 过压保护器：当电压超过设定值时，切断电路，保护电路元件。
三、 电磁学
3.1 磁场
- 定义：存在于磁体或电流周围的空间，能够对其他磁体或电流产生力的作用。
- 磁感应强度：描述磁场强弱和方向的物理量，等于单位电流在磁场中所受的力。
- 磁感线：一种假想的线，用来形象地描绘磁场的分布。磁感线的疏密表示磁场强弱，切线方向表示磁场方向。
- 地磁场：地球周围的磁场，对人类的生产和生活有重要影响。
3.2 电流的磁效应
- 奥斯特实验：电流能够产生磁场。
- 安培定律：电流产生的磁场强度与电流大小成正比，与距离电流的距离成反比。
- 螺线管的磁场：螺线管内部的磁场是均匀磁场，磁场强度与电流大小和螺线管的匝数成正比。
3.3 磁场对电流的作用力
- 安培力：磁场对通电导线的作用力，方向由左手定则判断。
- 洛伦兹力：磁场对运动电荷的作用力，方向由左手定则判断。
3.4 电磁感应
- 法拉第电磁感应定律：闭合电路中的感应电动势的大小与穿过该电路的磁通量的变化率成正比。
- 楞次定律：感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
- 自感：由于电路本身电流变化而产生的电磁感应现象。
- 互感：由于一个电路的电流变化而引起另一个电路产生电磁感应现象。
3.5 电磁波
- 麦克斯韦电磁场理论：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，电磁场可以以波的形式在空间传播。
- 电磁波的传播速度：电磁波在真空中的传播速度等于光速。
- 电磁波的种类：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。
四、 常见电路元件
4.1 电阻器
- 作用：限制电流，分压，分流。
- 分类：固定电阻器，可变电阻器，热敏电阻器，压敏电阻器。
4.2 电容器
- 作用：储存电荷，滤波，耦合，隔直流。
- 分类：固定电容器，可变电容器，电解电容器，薄膜电容器。
4.3 电感器
- 作用：储能，滤波，扼流，谐振。
- 分类：空心电感器，铁芯电感器，磁珠。
4.4 二极管
- 作用：单向导通，整流，检波，稳压。
- 分类：普通二极管，发光二极管 (LED)，稳压二极管。
4.5 三极管
- 作用：放大电流，开关作用。
- 分类：NPN型三极管，PNP型三极管。
4.6 晶闸管 (可控硅)
- 作用：可控整流，开关作用。
4.7 集成电路 (IC)
- 定义：将大量的微型电子元件 (如晶体管、电阻器、电容器等) 集成在一块半导体芯片上。
- 作用：实现复杂的电路功能，如运算放大、逻辑运算、信号处理等。
- 分类：模拟集成电路，数字集成电路，混合信号集成电路。
五、 应用实例
5.1 照明电路
- 白炽灯电路：简单直接，但效率低。
- 荧光灯电路：需要镇流器启动和稳定电流。
- LED灯电路：高效节能，寿命长。
5.2 电机控制电路
- 直流电机控制：通过改变电压或电流控制转速和方向。
- 交流电机控制：使用变频器控制频率和电压。
- 步进电机控制：精确控制转动角度。
5.3 放大电路
- 运算放大器：用于信号放大、滤波、比较等。
- 音频放大器：用于放大音频信号。
5.4 电源电路
- 线性电源：使用变压器、整流器、滤波器和稳压器将交流电转换为直流电。
- 开关电源：使用开关管和高频变压器实现高效的电压转换。
5.5 数字电路
- 逻辑门电路：实现与、或、非等基本逻辑运算。
- 存储器：用于存储数据。
- 微处理器：执行指令，控制系统运行。
六、 安全用电
6.1 触电的类型
- 直接触电：人体直接接触带电体。
- 间接触电：人体通过导体间接接触带电体。
6.2 防触电措施
- 安装漏电保护器。
- 使用绝缘工具。
- 避免用湿手触摸电器。
- 定期检查电器设备。
- 远离高压带电体。
6.3 急救措施
- 迅速切断电源。
- 进行人工呼吸和心脏按压。
- 拨打急救电话。
七、 未来发展趋势
7.1 新能源发电
- 太阳能发电：利用太阳能电池板将光能转化为电能。
- 风力发电：利用风力驱动风力发电机将风能转化为电能。
- 水力发电：利用水力驱动水轮发电机将水能转化为电能。
- 核能发电：利用核裂变或核聚变释放的能量转化为电能。
7.2 智能电网
- 智能电表：实时监测用电量和电网状态。
- 能源管理系统：优化能源分配和利用。
- 分布式发电：允许用户自己发电并接入电网。
7.3 电动汽车
- 电池技术：提高电池容量和续航里程。
- 充电桩建设：方便用户充电。
- 智能驾驶：提高安全性。
7.4 高效节能
- 节能电器：使用高效电机和控制技术。
- 智能照明：根据光线需求自动调节亮度。
- 能源回收：将余热转化为电能。