电学初探:简单电路,和家庭用试验电源
在本文中,将介绍如何使用简单易得的电学实验套装,研究最简单的照明电路,以及家庭用试验电源。
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理论入门
在开始讨论之前,需要先对电路有一些基本的理论知识。首先是“电路”本身——这一概念,实质上指的是电气元件组成的一个以电为能量传递形式的能量传递和使用网络。换言之,“电路”就是电流形成的回路和回路上所有有关元件的统称。
然后是电路中的各种组成部分。需要注意的是,电路科学是一门高度依赖于实践和习惯(约定俗成)的科学,因而其中的各类术语翻译或者用法可能都不尽相同。各个国家的教科书对于电路的各组件称呼也很不统一。因而,按照维基百科给出的信息,认为电路一般由:电源、负载(中华人民共和国教科书中称之为“用电器”)、中间环节组成。这些环节互相连接的方式和链接的状态将是电路科学所主要探讨的部分。
关于“负载”,也是很有学问的。因为负载分为三种类型:阻性负载、感性负载、容性负载。三种类型所反映到的电路效果,是各自都不相同的。像发光二极管或者小灯泡,就是阻性负载的典型。而像电动机则是感性负载的典型。
中间环节,往往是导线,但中间环节还是负载,甚至是电源这三者之间的界限并不明确。电阻足够大的导线,甚至可以当做电路上的负载来处理呢!
至于电源,就比较简单。电源要么是发电机,要么是电池。无论如何,在现代电路中,所有的电源都被控制为是“在一个固定的电压上根据负载的需求输出不同大小的电流”的标准制式。这样一来就方便了电气工程师计算电路负载的功率。(功率=电压 * 电流)
简化表示
在实际的生产生活中,不可能将所有电路上的玩意儿都画的一五一十,因而发明了各种各样的简化符号。这些符号都是全世界通用的。
简单电路
简单电路,顾名思义,是简化到了极致的电路。也可以称之为“简单照明电路”,因为这个电路中只有一个负载(灯泡),一个特殊的中间环节(单刀开关),一个电源(电池)
用符合IEEE标准的电路图表示(绘图工具:KiCad),则它应该看起来是这样的:
用文字,则意味着需要将电池的正极以此与一个1P1T的Switch(单掷单刀开关)和一个Lamp(灯泡)连接起来,再将灯泡的另一端和电池的负极连接起来。
家庭用试验电源
试验电源,是可以控制输出功率的安全电源,并且可以接入通用的供电装置而非只使用专门的电池;同时还应该有仪表来检测电路的实时负载。通用的供电装置,可以指USB接口的供电。因此,笔者设计了一套基于滑动变阻器、USB通用串行总线-TTL跳线和电流表、电压表的家庭用直流试验电源系统。
以下是实物图:
以下是关于整个系统的设计原理图