第 0 阶段 · 基础电路概念课 · 必须掌握

0-02 电压、电流、电阻与闭合回路——电流怎么走回来

看懂一件事:电流需要一条出去、经过用电零件、再回到电源的完整路径。

学习本课前,你需要知道

如果还不熟悉,可以先回看对应基础课。

你不需要学过电路。先看一节电池、一个小灯泡和它们之间的导线。

快速理解 · 先让灯亮起来

电池有正极(+)和负极(-)两个连接端。现在只把正极接到灯泡的一端,灯泡的另一端还没有接回负极。

观察:电池 → 灯泡 → 回到电池
电池、灯泡与闭合回路 电池正极已连接灯泡,另一端没有接回负极,回路断开。先判断灯泡是否会亮,再点击按钮接通。 状态一 · 回路断开 +- 电池 小灯泡 已连接的导线 这一端没有接回负极缺少返回连接 经过灯泡 → 沿返回导线 → 回到电池负极电池内部也参与回路 这是连接关系示意,不需要你动手搭接真实电池。
箭头表示约定的电流方向;颜色表示连接状态,不代表真实导线颜色。
只有一根线连接灯泡,灯会亮吗?

先判断,再接通。灯泡的另一端还悬着。

为什么?深入理解 · 为什么缺少返回连接就不能持续发光

不是导线数量,而是路径是否完整

导线里原本就有能移动的带电微粒;电荷量描述它们带电的多少。电池使这些微粒有定向移动的条件;但若连接在某处断开,就没有一条可以持续通过的完整路径。

断开处附近的少量电荷重新分布后,会阻止这种持续移动。对于图中的普通电池和小灯泡,结果就是灯泡不会持续发光。

接通以后发生了什么

外部路径从正极经过导线、灯泡、另一段导线到负极;电池内部的化学过程维持两端的差别,整个回路才可以持续工作。图中的电池内部虚线表示回路的延续,不是把正负极在外面用导线直接接起来。

这里讨论持续工作的简单电路,不讨论接通瞬间的微小变化。图中箭头用于观察方向,不表示真实电荷移动的速度。

快速理解 · 电压提供条件,电流描述流动

Voltage(电压,用 V 表示) 总是在两个位置之间比较的。先把它理解为:电池两端存在能够推动电荷移动的差别。

正、负表示这两个端的相对关系:电池正常供电时,正极比负极的电势高。它们不是“装着电”和“没有电”的两个盒子。

导线里原本就有能移动的带电微粒,电荷量描述它们带电的多少。Current(电流,用 I 表示) 描述每秒有多少电荷通过某个位置。图中的箭头采用约定的电流方向:在电池外部,从正极经过灯泡到负极。

电压是两处之间的差别;电流是电荷的定向流动。有电压,不等于一定有电流。

为什么?深入理解 · 电池有电压,断开的灯为什么仍不亮

推动条件与完整路径缺一不可

就像水泵能在两端建立压力差,但管路断开时不能保持正常的循环,电池两端可以有电压,而灯泡所在的通路仍可能没有持续电流。这个类比只帮助区分“推动条件”和“流动”,电路并不是装水的管子。

灯泡用掉的不是电流

电池把化学能提供给电路,灯泡将电能转成光和热。在这个没有分支、稳定工作的回路里,进入灯泡和离开灯泡的电流大小相同,电荷不会在灯泡里不断堆积或被耗尽。

所以,“出去以后还要回来”说的是电流路径必须完整,不是电池先送出一包电荷,再等这包电荷跑完一圈才工作。

快速理解 · 电阻限制电流有多大

Resistance(电阻,用 R 表示) 描述电流通过时受到的阻碍。在电压相同、其他条件合适时,电阻越大,通过的电流越小。

灯泡的灯丝有电阻,电流通过时会发热、发光。闭合回路要经过用电零件;不能跳过灯泡,直接用导线连接电池正负极。 这样阻碍太小,可能产生很大的电流,使电池和导线发热。

为什么?深入理解 · 用一个关系看懂电压、电流和电阻

Ohm's Law(欧姆定律) 可以写成:

V = I × R

  • V 是电压,单位是伏。
  • I 是电流,单位是安。
  • R 是电阻,单位是欧姆。

例如,在一个阻值保持为 100 欧姆的电阻两端加 3 伏电压,通过的电流就是 0.03 安:3 = 0.03 × 100。先看懂三个量有关联,不需要大量计算。

这个例子针对阻值稳定的电阻。真实灯丝变热时电阻会变化,不能把它在任何状态下都当成固定的 100 欧姆。

快速理解 · 地是参考位置,不是电流的终点

GND(Ground,地) 常是电路中选作零电压基准的连接位置。说某处是“3 伏”时,需要知道它是相对于哪里测量的。

在这个电池例子中,可以选择负极作为地;若电池电压为 3 伏,正极相对于这个参考位置就是 3 伏。选择参考位置不会凭空增加一根导线,也不会自动把断开的回路接通。

为什么?深入理解 · 返回地,是回到哪里

很多电路把共同连接、作为参考的位置称为地,返回电流会经过相应的地连接回到电源。把例子的负极称为地以后,路径仍然是“灯泡 → 导线 → 电池负极”,电流没有消失。

这里的地不一定接着泥土,也不能据此认为所有电路的负极都必须叫地。先找到实际连接,再判断电流怎样返回。

以后做电路板布局布线有什么用

上一课的 PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)用铜路径连接零件。以后做 Layout(布局布线)时,信号、电源和 GND 的连接,同样不能只考虑“怎样出去”,还要考虑“怎样回来”。

后面会学习 Return Path(回流路径),把今天的完整回路直觉带到电路板上。

检查理解 · 先用自己的话说一遍

沿着接通后的图,从电池正极出发,说出电流经过哪里、最后怎样回到电源,再做下面这一题。

为什么电流不能只出去、不回来?

本课记住四件事

  • 电压是两个位置之间的差别;电流描述电荷的定向流动。
  • 在相同电压下,电阻会限制电流的大小。
  • 持续工作的回路必须完整:出去、经过用电零件、返回电源。
  • 地是选定的参考位置;经过地返回,不等于电流消失。
来源与补充说明

【基础补充】为后续课程补齐的基础电路知识;文字与图示为原创教学表达,没有复制教材正文。采用理想导线、正常电池和普通小灯泡的简化模型,讨论持续工作时的回路;图示供理解使用,不要求用真实电池搭接。

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  • 9-16Stage 9综合练习:为一版高速Layout作出有依据的判断待开放
10DFM待开放

课程准备中,开放后会显示在这里。

11项目实战待开放

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