电路原理-基本概念
前言
本篇文章介绍电子世界的基本概念
原子
一切物质都是由原子构成的，而所有的原子都是有电子、质子和中子构成的。
电子围绕着质子和中子旋转
质子带正电
电子带负电
电子层
围绕着原子核的电子运动轨迹的集合
每个电子层由不同的运动轨道组成，轨道的命名依次为s，p，d，f
第1个电子层包含1个s轨道
第2个电子层包含1个s轨道和3个p轨道
第3个电子层包含1个s轨道和3个p轨道和5个d轨道
第4个电子层包含1个s轨道和3个p轨道和5个d轨道和7个f轨道
每个轨道最多只能包含2个电子，所以
第1个电子层包含最多2个电子
第1个电子层包含最多8个电子
第1个电子层包含最多18个电子
第1个电子层包含最多32个电子
到这里就产生了一个疑问，这四个电子层一共才能容纳60个电子而已，还有更多的层级吗？
有，但是电子的排列不是一个电子层排满再去排列下一个电子层，电子的排列是按照轨道的能量由高到低排列的，并且电子会从能量低的轨道跃迁到能量高的轨道，轨道能量的排列如下：
- 电子层1-s轨道（2个电子） 总电子2个
- 电子层2-s轨道（2个电子） 总电子4个
- 电子层2-p轨道（6个电子） 总电子10个
- 电子层3-s轨道（2个电子）总电子12个
- 电子层3-p轨道（6个电子）总电子18个
- 电子层4-s轨道（2个电子）总电子20个 注意：
这里第四层s轨道的能量已经小于第三层的d轨道 - 电子层3-d轨道（10个电子）总电子30个
- 电子层4-p轨道（6个电子）总电子36个
- 电子层5-s轨道（2个电子）总电子38个
- 电子层4-d轨道（10个电子）总电子48个
- 电子层5-p轨道（6个电子）总电子54个
- 电子层6-s轨道（2个电子）总电子56个
- 电子层4-f轨道（14个电子）总电子70个
- 电子层5-d轨道（10个电子）总电子80个
- 电子层6-p轨道（6个电子）总电子86个
- 电子层7-s轨道（2个电子）总电子88个
- 电子层5-f轨道（14个电子）总电子102个
- 电子层6-d轨道（10个电子）总电子112个
- 电子层7-p轨道（6个电子）总电子118个
价电子
原子最外层的电子层称为价电子层，价电子层中的电子称为价电子，正是由于价电子的存在，化学反应才称为可能。同时也决定了物质的电特性。
电离
价电子吸收能量后摆脱原子核的束缚而成为自由电子，这个过程称为电离
电离后的原子带正电，称为阳离子
导电性
导电性的一般规律如下：
- 原子序数越大，最外层电子离原子核就越远，从而导致对电子的束缚力就越弱，导电性越好
- 最外层电子越少，导电性越好
- 次外层结构越稳定，导电性越好
电荷
带有异种电荷的物质会相互吸引,而带有同种电荷的物质会相至排斥，电荷的符号是 Q Q Q，单位是库仑，单位符号为 C \text{C} C
6.25 × 1 0 8 6.25 \times10^8 6.25×108个电子所带的电荷总数是1库仑
电压
电压定义为单位电荷所消耗的能量或所做的功
V = W Q V = \frac{W}{Q} V=QW
若在两点间通过一库仑的电荷所消耗的能量为1焦耳，则这两点之间的电压为1伏特
电压的符号为 U U U，电压的单位为伏特，单位符号为 V \text{V} V
使用伏特表可以测量电压的大小
电压源
- 电池：通过正负极化学反应，正极吸收电子，负极释放电子，这样正负极之间产生电压
- 太阳能电池：一个半导体层接受太阳光照吸收能量，自由电子进入另外一个半导体层，这样，两个半导体层产生电压
- 发电机：运行电磁感应原理，将机械能转化为电能
- 电子电源：将交流电转换为直流电
电流
物质中自由电子从负极到正极所做的定向运动形成电流
电流的符号为 I I I，电流的单位为安培，单位符号为 A \text{A} A
电流表明电荷通过的速度
I = Q t I = \frac{Q}{t} I=tQ
如果在1秒内通过导体横截面的电荷的数量为1库仑，就说导体的电流量是1安培
使用安培表可以测试电路中的电流量大小
电阻
电阻阻碍或者限制电路中电流的通过
电子和介质中的原子碰撞会产生热，电流越大，产生的热量越多
电阻的符号为 R R R，电阻的单位为欧姆，单位符号为 Ω \Omega Ω
当电阻两端的电压为1伏特，通过的电流为1安培时，电阻的阻值为1欧姆
使用欧姆表可以测量电阻的大小
电导
电阻的倒数就是电导，符号为 G G G,电导的单位为西门子，单位符号为 S \text{S} S
G = 1 R G = \frac{1}{R} G=R1
电流方向
电流是由电子的移动产生的，所以按道理电流的方向应该是电子移动的方向，但是在这之前，人们已经发现了电流，并且一直认为电流是由正电荷的移动产生的，所以方向与电子的运动方向相反。
电子学领域一般把电流的方向认为是从正极到负极的方向
电阻率
导线电阻的大小有四个方面的影响：
- 导线的材料
- 导线的长度
- 导线的横截面积
- 导线的温度
其中，不同材料的导线通过电阻率 ρ \rho ρ来表示材料的导电性，在特定温度下，材料的电阻可以表示为
R = ρ × l A R = \frac{\rho \times l}{A} R=Aρ×l
l l l为导线的长度， A A A为导线的横截面积
电容
电容存储电荷，常常用来阻断直流，导通交流
电感
电感也称为线圈，在电磁学领域常常用来储存能量
变压器
用来升高或降低交流电压
半导体
二极管、三极管、晶体管
电子仪器
- 为电路提供电压和电流的直流电源
- 提供电子信号的函数发生器
- 测量电压的伏特表
- 测量电流的安培表
- 测量电阻的欧姆表
- 三表合一的万用表
- 观察和测量交流电压的示波器
SI：国际单位制
电学量
量 符号 单位 单位符号 电容 C 法拉 F 电荷 Q 库仑 C 电导 G 西门子 S 电流 I 安培 A 能量 W 焦耳 J 频率 f 赫兹 Hz 阻抗 Z 欧姆 Ω 电感 L 亨利 H 功率 P 瓦特 W 电抗 X 欧姆 Ω 电阻 R 欧姆 Ω 时间 t 秒 s 电压 V 伏特 V \begin{array}{|c|c|c|c|} \hline 量&符号&单位&单位符号\\ \hline 电容&C&法拉&\text{F}\\ \hline 电荷&Q&库仑&\text{C}\\ \hline 电导&G&西门子&\text{S}\\ \hline 电流&I&安培&\text{A}\\ \hline 能量&W&焦耳&\text{J}\\ \hline 频率&f&赫兹&\text{Hz}\\ \hline 阻抗&Z&欧姆&\Omega\\ \hline 电感&L&亨利&\text{H}\\ \hline 功率&P&瓦特&\text{W}\\ \hline 电抗&X&欧姆&\Omega\\ \hline 电阻&R&欧姆&\Omega\\ \hline 时间&t&秒&\text{s}\\ \hline 电压&V&伏特&\text{V}\\ \hline \end{array} 量电容电荷电导电流能量频率阻抗电感功率电抗电阻时间电压符号CQGIWfZLPXRtV单位法拉库仑西门子安培焦耳赫兹欧姆亨利瓦特欧姆欧姆秒伏特单位符号FCSAJHzΩHWΩΩsV
注意：符号都是斜体表示，单位符号都是非斜体表示
磁学量
量 符号 单位 单位符号 磁通密度 B 特斯拉 T 磁通量 ϕ 韦伯 Wb 磁场强度 H 安（匝 / 米） At/m 磁通势 F m 安（匝） At 磁导率 μ 韦伯 / 安（匝 / 米） Wb/Atm 磁阻 R m 安（匝 / 韦伯） At/Wb \begin{array}{|c|c|c|c|} \hline 量&符号&单位&单位符号\\ \hline 磁通密度&B&特斯拉&\text{T}\\ \hline 磁通量&\phi&韦伯&\text{Wb}\\ \hline 磁场强度&H&安（匝/米）&\text{At/m}\\ \hline 磁通势&F_m&安（匝）&\text{At}\\ \hline 磁导率&\mu&韦伯/安（匝/米）&\text{Wb/Atm}\\ \hline 磁阻&R_m&安（匝/韦伯）&\text{At/Wb}\\ \hline \end{array} 量磁通密度磁通量磁场强度磁通势磁导率磁阻符号BϕHFmμRm单位特斯拉韦伯安（匝/米）安（匝）韦伯/安（匝/米）安（匝/韦伯）单位符号TWbAt/mAtWb/AtmAt/Wb
国际单位
国际单位词头 符号 10 的幂 值 皮 p 1 0 − 12 万亿分之一 纳 n 1 0 − 9 十亿分之一 微 μ 1 0 − 6 百万分之一 毫 m 1 0 − 3 千分之一 千 k 1 0 3 一千 兆 M 1 0 6 一百万 吉 G 1 0 9 十亿 太 T 1 0 12 万亿 \begin{array}{|c|c|c|c|} \hline 国际单位词头&符号&10的幂&值\\ \hline 皮&p&10^{-12}&\text{万亿分之一}\\ \hline 纳&n&10^{-9}&\text{十亿分之一}\\ \hline 微&\mu&10^{-6}&\text{百万分之一}\\ \hline 毫&m&10^{-3}&\text{千分之一}\\ \hline 千&k&10^{3}&\text{一千}\\ \hline 兆&M&10^{6}&\text{一百万}\\ \hline 吉&G&10^{9}&\text{十亿}\\ \hline 太&T&10^{12}&\text{万亿}\\ \hline \end{array} 国际单位词头皮纳微毫千兆吉太符号pnμmkMGT10的幂10−1210−910−610−31031061091012值万亿分之一十亿分之一百万分之一千分之一一千一百万十亿万亿