《电学基础》课件

电学基础探索电学世界的奥秘从基本电荷到复杂电路课程概述课程目标掌握电学基础理论学习内容电荷、电场、电路等核心概念考核方式第一章：电荷与电场电荷的基本性质正负电荷的相互作用库仑定律电荷间力的计算方法电场概念电场强度与电场线电荷的性质正电荷和负电荷同性相斥，异性相吸质子带正电，电子带负电电荷守恒定律孤立系统中电荷总量不变电荷只能转移不能创生或消灭电荷量的单位库仑（C）是电荷的国际单位基本电荷e=1.6×10^-19库仑库仑定律公式：F=k|q1q2|/r²F为电荷间相互作用力q1、q2为两个电荷量r为电荷间距离常数k的含义k=9×10^9N·m²/C²电介质影响k值大小矢量性质力的方向沿连线同号电荷相斥，异号相吸电场的概念电场强度的定义单位试验电荷所受力电场线表示电场方向与强度电场叠加原理合场强为各分场强矢量和电场强度的计算点电荷的电场强度E=kq/r²电偶极子的电场强度E∝p/r³连续电荷分布的电场强度需积分计算高斯定理高斯面的概念任意闭合曲面高斯定理的数学表达式∮E·dS=Q/ε₀应用举例球形、柱形、平面电荷分布静电场中的导体导体的静电平衡条件内部电场为零表面电场垂直于表面静电屏蔽法拉第笼原理保护电子设备尖端放电现象电场在尖端处增强应用于避雷针电势能与电势电势差与电场强度的关系E=-∇V电势的概念单位电荷的电势能电势能的定义电荷在电场中的位置能电容器C=Q/V电容的定义存储电荷能力C=εS/d平行板电容器与板面积成正比1/C=1/C₁+1/C₂电容器的串并联串联总电容减小静电场的能量带电体系的静电能电荷间相互作用的势能电容器储能W=½CV²=½QV静电场的能量密度w=½εE²第二章：恒定电流电流的概念电荷定向移动形成电流欧姆定律电流与电压成正比焦耳定律电流产生热量电流的定义电流强度单位时间通过横截面的电量电流密度单位面积上的电流强度电流的方向正电荷移动方向（约定）单位安培（A）欧姆定律点式欧姆定律j=σE电流密度与电场强度成正比闭合电路欧姆定律I=E/(R+r)E为电动势，r为内阻欧姆定律的适用范围线性元件不适用于半导体、真空管等电阻电阻R=ρL/S，与材料电阻率成正比温度升高，金属电阻增大焦耳定律焦耳热电流通过电阻产生热量Q=I²Rt功率的计算P=UI=I²R=U²/R单位：瓦特(W)电热应用电热器、电炉、电熨斗利用焦耳热进行加热电源电动势的概念非静电力做功的能力单位：伏特(V)理想电源与实际电源理想电源：内阻为零实际电源：存在内阻恒压源和恒流源恒压源：输出电压恒定恒流源：输出电流恒定基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律（KCL）节点电流代数和为零基尔霍夫电压定律（KVL）回路电压代数和为零应用实例复杂电路分析的基础电路分析方法支路电流法以支路电流为未知量回路电流法以回路电流为未知量节点电压法以节点电压为未知量电路定理叠加定理：线性电路中各源单独作用戴维宁定理：复杂电路等效为电源和电阻诺顿定理：复杂电路等效为电流源并联电阻第三章：磁场磁场的基本概念磁感应强度与磁力线毕奥-萨伐尔定律电流元产生的磁场安培环路定理闭合曲线上的磁场积分磁场的描述磁感应强度B描述磁场强弱和方向的物理量单位：特斯拉(T)磁力线磁场中任一点切线方向为B方向密度表示场强大小磁通量Φ=∫B·dS单位：韦伯(Wb)毕奥-萨伐尔定律公式表达dB=(μ₀/4π)·(Idl×r)/r³电流元dl产生的磁感应强度应用举例：直线电流的磁场B=(μ₀I)/(2πr)磁感应强度与距离成反比圆环电流的磁场轴线上B=(μ₀I)/(2R)中心点磁场最强安培环路定理∮B·dl=μ₀I定理内容闭合环路上B的线积分等于μ₀IB=μ₀I/(2πr)无限长直导线的磁场选择同心圆路径B=μ₀nI无限长螺线管的磁场内部均匀，外部为零磁场中的力安培力F=ILBsinθ电流导线在磁场中受力洛伦兹力F=qvBsinθ带电粒子在磁场中受力磁力矩τ=IS×B电流回路在磁场中受到转矩磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动垂直入射：圆周运动斜入射：螺旋运动霍尔效应导体在磁场中产生横向电场用于测量磁场和电流质谱仪原理利用带电粒子在磁场中的偏转测定粒子的质荷比磁介质磁化强度M表示单位体积磁矩铁磁性：强磁性；顺磁性：弱磁性；抗磁性：微弱排斥磁场第四章：电磁感应法拉第电磁感应定律磁通变化产生感应电动势楞次定律感应电流的方向自感和互感线圈中电流变化产生感应法拉第电磁感应定律感应电动势的产生磁通量变化引起可通过相对运动或变化电流实现定律的数学表达式ε=-dΦ/dt感应电动势等于磁通量变化率动生电动势和感生电动势动生：导体运动切割磁力线感生：磁场本身变化楞次定律定律内容感应电流方向使磁通量变化减小物理意义能量守恒的体现应用举例磁铁进出线圈时的现象自感自感系数的定义L=Φ/I单位：亨利(H)自感电动势ε=-LdI/dt阻碍电流变化自感线圈的能量W=½LI²储存在磁场中互感变压器原理基于互感现象互感电动势ε₂=-MdI₁/dt互感系数的定义M=Φ₂₁/I₁=Φ₁₂/I₂涡流涡流的产生导体在变化磁场中产生环形电流切割磁力线导致涡流的影响产生热量产生阻碍运动的力涡流的应用感应加热电磁制动位移电流位移电流的概念变化电场产生的电流Id=ε₀dE/dt麦克斯韦方程组统一描述电磁场包含位移电流后完备电磁波的产生变化电场产生变化磁场变化磁场产生变化电场第五章：交流电交流电的基本概念周期性变化的电流交流电路的分析使用复数和相量功率因数表示能量转换效率交流电的产生发电机原理磁场中旋转线圈正弦交流电i=Imsin(ωt+φ)相量表示法用旋转矢量表示交流量交流电路元件电阻：电流电压同相位，U=IR电感：电流滞后电压90°，U=jωLI电容：电流超前电压90°，U=I/(jωC)RLC串联电路电压关系U=UR+UL+UC矢量加法阻抗Z=R+j(XL-XC)|Z|=√(R²+(XL-XC)²)相位关系φ=arctan((XL-XC)/R)总电压与电流的相位差RLC并联电路电流关系I=IR+IL+IC导纳Y=1/Z=G+jB2相位关系电流与电压的相位差谐振XL=XC串联谐振阻抗最小，电流最大ω₀=1/√LC并联谐振阻抗最大，电流最小Q=ω₀L/R品质因数Q值表示谐振尖锐程度交流电功率视在功率S=UI有功功率P=UIcosφ无功功率Q=UIsinφ功率因数功率因数的定义cosφ=P/S真实功率与表观功率之比功率因数的物理意义电能利用效率理想值为1提高功率因数的方法并联电容器减少感性负载三相交流电三相电源三个相位差120°的电源星形连接线电压等于相电压的√3倍三角形连接线电流等于相电流的√3倍第六章：电磁波电磁波的性质电场和磁场互相垂直传播电磁波谱按波长和频率分类电磁波的应用通信、医疗、雷达等领域电磁波的产生振荡电路LC电路产生电磁振荡振荡频率f=1/(2π√LC)天线辐射导线中振荡电流辐射电磁波基本通信原理加速带电粒子的辐射同步辐射轫致辐射电磁波的传播波动方程∇²E=(1/c²)∂²E/∂t²∇²B=(1/c²)∂²B/∂t²能量传输电磁波携带能量能量密度u=½(εE²+B²/μ)波印廷矢量S=(1/μ₀)E×B表示能量流密度电磁波谱电磁波的应用通信：无线电广播、移动通信雷达：测距、导航、气象监测医疗诊断：X光、核磁共振、超声波第七章：半导体基础半导体的基本性质导电性介于导体与绝缘体之间PN结P型与N型半导体的结合半导体器件二极管、晶体管等半导体的能带理论能带结构导带、价带、禁带本征半导体纯净半导体杂质半导体N型和P型半导体PN结PN结的形成P型与N型半导体接触形成势垒电压约0.3V(锗)或0.7V(硅)正向和反向偏置正向导通，反向截止二极管电压电流二极管的工作原理基于PN结特性应用：整流、检波、稳压和开关晶体管晶体管的结构三层半导体结构：NPN或PNP三个电极：发射极、基极、集电极工作原理基极电流控制集电极电流三种工作状态：截止、放大、饱和放大作用放大倍数β=IC/IB常用于小信号放大场效应管JFET和MOSFET结型场效应晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管工作原理电场控制沟道导电性特性和应用输入阻抗高，功耗低集成电路1集成电路的发展历史1958年发明摩尔定律：集成度每18-24个月翻一番2制造工艺光刻、扩散、外延等工艺纳米级精度3应用领域电子设备、通信设备计算机、消费电子第八章：电子学基础放大器信号