中心主题：电
基础概念
- 定义: 与电荷的存在和移动相关的物理现象。
- 本质:
- 电荷: 物质的基本属性,分为正电荷和负电荷。
- 静电: 电荷的静止状态。
- 电流: 电荷的定向移动。
- 单位:
- 电流: 安培
- 电压: 伏特
- 电阻: 欧姆
- 功率: 瓦特
- 电荷: 库仑
- 物理量关系:
- 欧姆定律: V = I × R (电压 = 电流 × 电阻)
- 功率公式: P = V × I (功率 = 电压 × 电流)
- 焦耳定律: Q = I² × R × t (热量 = 电流² × 电阻 × 时间)
电的类型
- 直流电
- 定义: 电流方向和大小恒定不变。
- 来源: 电池、太阳能电池、直流发电机。
- 应用: 手机、笔记本电脑、汽车电路、LED照明。
- 交流电
- 定义: 电流方向和大小随时间周期性变化。
- 特点: 方便通过变压器改变电压,利于远距离传输。
- 来源: 家用插座、电网、大型发电厂。
- 应用: 家用电器、工业电机、公共照明系统。
- 相关概念:
- 频率: 中国/欧洲为50Hz，美国/日本为60Hz。
- 相数: 单相、三相。
电的原理与定律
- 静电学
- 库仑定律: 描述两点电荷间作用力的大小。
- 电场: 存在于电荷周围,对其他电荷施加作用力的空间。
- 电势差 (电压): 驱使电荷移动的“压力”。
- 电磁学
- 电流的磁效应: 电流周围会产生磁场 (奥斯特)。
- 电磁感应: 变化的磁场会产生电流 (法拉第)。
- 应用: 发电机、变压器、感应线圈。
- 电磁波: 电场和磁场的振荡在空间中传播。
- 应用: 无线电、微波、X光、可见光。
电的传输与应用
- 发电
- 能源转换: 将其他形式的能转化为电能。
- 方式:
- 火力发电: 化学能 → 热能 → 机械能 → 电能
- 水力发电: 重力势能 → 机械能 → 电能
- 核能发电: 核能 → 热能 → 机械能 → 电能
- 新能源发电:
- 太阳能: 光能 → 电能 (光伏效应)
- 风能: 机械能 → 电能
- 地热能: 热能 → 机械能 → 电能
- 输电与配电
- 电网: 将发电厂、输电线路、变电站和用户连接起来的系统。
- 高压输电: 为了减少远距离传输中的能量损耗 (P损 = I²R)。
- 变电站: 升高或降低电压,适应不同环节的需求。
- 配电: 将电能从变电站输送到最终用户。
- 用电
- 家庭用电: 照明、家电 (冰箱、空调、电视等)。
- 工业用电: 驱动电机、加热、电解等。
- 公共设施用电: 交通信号、路灯、数据中心等。
关键元器件
- 无源元件:
- 电阻: 限制电流,消耗电能并转化为热能。
- 电容: 储存电荷,通交流隔直流。
- 电感: 储存磁场能量,阻碍电流变化。
- 有源元件:
- 电源: 提供电能的装置 (如电池、发电机)。
- 开关: 控制电路的通断。
- 半导体器件:
- 二极管: 具有单向导电性。
- 晶体管: 用作开关或放大器,是现代电子学的基石。
- 集成电路: 将大量晶体管等元件集成在一块芯片上。
安全与防护
- 电的危害:
- 触电: 电流流过人体造成伤害。
- 火灾: 短路、过载导致线路过热引发火灾。
- 设备损坏: 电压不稳或雷击。
- 安全措施:
- 绝缘: 使用绝缘材料包裹导体。
- 接地: 将设备外壳连接到大地,防止漏电。
- 过载保护: 使用保险丝、空气开关。
- 漏电保护: 使用漏电保护器 (RCD/GFCI)。
- 安全电压: 在潮湿或危险环境中使用安全低电压。
相关领域与技术
- 电子学: 研究电子在真空、气体和半导体中运动和应用的学科,核心是半导体器件。
- 电气工程: 研究发电、输电、配电和用电的工程学科。
- 电磁兼容性: 研究设备在电磁环境中能正常工作,且不对其他设备构成不可承受的电磁干扰。
- 超导: 某些材料在极低温度下电阻为零的现象，应用于磁悬浮列车、核磁共振等。
