这是您要了解的EE概念的基于物理学的介绍。
您的问题在底部回答。
一切都源于“电荷”的流动
电子学，正如它的根词“ 电子”所指，是对特定系统中电子流的研究。
电子是典型电路中电荷的基本“载体”。即，它们是电荷在大多数电路中“移动”的方式。
我们采用一种签名约定，称电子具有“负”电荷。此外，电子代表原子（经典物理学）尺度上的最小电荷单位。这称为“基本”电荷，位于库仑。− 1.602 × 10− 19
相反，质子的“正”电荷为库仑。+ 1.602 × 10− 19
但是，质子不能轻易移动，因为质子通常通过核强力与原子核内的中子结合。从原子核中除去质子（顺便说一句，是核裂变技术的基础）要比除去电子需要更多的能量。
另一方面，我们可以很容易地将电子从其原子中移出。实际上，太阳能电池完全基于光电效应（爱因斯坦的开创性发现之一），因为“光子”（光粒子）会将“电子”从其原子中移出。
电场
所有电荷“无限地”将电场施加到太空中。这是理论模型。
字段只是一个在每个点上产生矢量的函数（一个包含幅度和方向的矢量……引用Despicable Me）。
电子产生电场，其中在所述场点的每个点的矢量朝向电子（方向）与对应于库仑定律的大小：
|E⃗ | = 14πϵ0constantfactor |q|r2focus onthis part
方向可以可视化为：
这些方向和大小是根据施加在正测试电荷上的力（方向和大小）确定的。换句话说，磁力线代表测试正电荷将经历的方向和大小。
负电荷会在相反的方向上受到相同大小的力。
按照这种约定，当电子靠近电子或质子靠近质子时，它们将相互排斥。
叠加：收费
如果对特定点上某个区域中所有电荷单独施加的所有电场求和，您将获得所有电荷在该点施加的总电场。
这遵循解决具有多个力作用于单个对象的运动学问题的叠加原理。
正电荷是指不存在电子。负电荷是电子的剩余
这特别适用于我们处理固体材料中电荷流的电子设备。
重申一下：电子学是对作为载流子的电子流的研究。质子不是主要的电荷载体。
再次：对于电路，电子移动，质子不移动。
然而，由于在电路的区域中不存在电子，因此可以产生“虚拟”正电荷，因为该区域具有比电子更多的净质子。
回想一下道尔顿的价电子模型，质子和中子占据了一个由绕行电子包围的小核。
根据库仑定律，最外层的“价”壳中距原子核最远的电子对原子核的吸引力最弱，这表明电场强度与距离的平方成反比。
通过在板子或其他材料上积累电荷（例如，像在美好的日子一样，通过将它们剧烈摩擦在一起），我们可以产生电场。如果我们将电子放在该场中，则电子将在与电场线相反的方向上宏观移动。
注意：正如量子力学和布朗运动所描述的那样，单个电子的实际轨迹是相当随机的。但是，所有电子都将根据电场指示的力表现出宏观的“平均”运动。
因此，我们可以准确地计算出宏观的电子样本将如何响应电场。
电位
回想根据库仑定律表明的力的大小公式施加正面测试费用：|E⃗ |
|E⃗ |=14πϵ0|q|r2
从这个方程，我们看到，| | |。→ E | → ∞。即，我们越接近电场的起源，施加在正测试电荷上的力的大小就越大。r→0|E⃗ |→∞
相反，当，|表示。→ E | → 0：当您距离电场的原点无限远时，场强趋于零。r→∞|E⃗ |→0
现在，考虑一个行星的类比。随着行星的总累积质量增加，其重力也增加。行星质量中包含的所有物质的引力的叠加会产生引力。
撇开：您的身体质量在行星上施加力，但是到目前为止，该行星的质量超过了您身体的质量，以致于重力的吸引力被行星的吸引力所抵消。(Mplanet≫myou)
从运动学上回想起，重力势是物体由于其距行星重力中心的距离而具有的势量。行星的重心可以视为点重力源。
同样，我们将电势定义为将正测试电荷从无限远移到特定点需要多少能量。q
在引力的情况下，我们假设重力场在远离行星的无限远处为零。
如果我们有一个质量启动无穷远，在地球的重力场→ 摹星球不工作抠质量接近。因此，当质量接近行星时，引力场“失去势能”。同时，质量加速并获得动能。mg⃗ planet
qsourceE⃗ sourcer
结果是：
导体中的电位
考虑导体或过渡金属的模型，例如具有“电子海”的铜或金。该“海”由价电子组成，价电子之间的耦合较松散，在多个原子之间“共享”。
如果我们对这些“松散”电子施加电场，则它们在宏观平均水平上会随着时间在特定方向上移动。
请记住，电子沿与电场相反的方向传播。
同样，将一段导线导体置于正电荷附近会在导线的整个长度上引起电荷梯度。
可以使用导线与源电荷之间的距离以及导线中使用的材料的已知属性来计算导线上任何点的电荷。
由于不存在电子而导致的正电荷将离正源电荷越来越远，而由于电子的收集和剩余而使负电荷将更靠近源电荷。
由于电场的作用，导体上两点之间会出现“电位差”。这就是电场在电路中产生电压的方式。
电压定义为电场中两点之间的电位差。
最终，沿着导线长度的电荷分布将与电场达到“平衡”。这并不意味着电荷停止移动（记住布朗运动）；只有电荷的“净”或“平均”运动接近零。
非理想电池
让我们组成一个原电池或伏打电池电源。
(NH4)(NO3)
NH+4NO−3
有用的术语：
- 阳离子：带正电的离子
- 阴离子：带负电的离子
- 阴极：阳离子积聚在阴极
- 阳极：阴离子积聚在阳极
有用的助记符：“ 一个离子”是“ 一个离子”是“ 一个负离子”
如果我们检查上述锌铜原电池的反应：
Zn(NO3)2 + Cu2+⟶Zn2+ + Cu(NO3)2
Zn2+Cu2+
注意：前面我们说过，正电荷是电子的“缺失”。阳离子（正离子）为正，是因为原子核中的质子使电子剥夺了净正原子电荷。这些阳离子在原电池的溶液中是可移动的，但是正如您所看到的，离子不会通过连接电池两侧的导电桥传播。也就是说，只有电子移动通过导体。
基于正阳离子向阴极移动并累积的事实，我们将其标记为负（正电荷被吸引为负）。
相反，由于电子向阳极移动并在阳极积聚，因此我们将其标记为正（负电荷被吸引为正）。
+-
这是因为电流被定义为通过横截面的虚拟正电荷流。按照惯例，电子总是与电流相反流动。
使该原电池变得不理想的原因是，最终通过导体产生电场并导致电子和电荷流动的化学过程将达到平衡。
这是因为在阳极和阴极上的离子积累将阻止反应进一步进行。
另一方面，“理想”电源将永远不会失去电场强度。
理想的电压源就像魔术自动扶梯
让我们回到引力势的类比。
假设您在山坡上，并且在山下有几条由硬纸板建造的道路。假设您用纸板墙沿着这条路径滚动网球。网球将沿着这条路前进。
在电路中，导体形成路径。
现在，假设您在山脚下有一个自动扶梯。就像Rube Goldberg机器一样，自动扶梯会铲起您沿着小路滚动的网球，然后在山顶的小路起点将其掉落。
自动扶梯是您理想的电源。
现在，假设您几乎用网球使整个路径（包括自动扶梯）饱和。只是一长串网球。
因为我们没有完全使路径饱和，所以仍然存在间隙和空间供网球移动。
抬起自动扶梯的网球撞到另一个球，撞到另一个球，然后继续。
由于重力的电位差，沿着山坡小径前进的网球会获得能量。他们互相反弹直到最后，另一个球被加载到自动扶梯上。
我们称网球为电子。如果我们沿着假山“电路”沿着山坡顺着电子流，然后沿着神奇的自动扶梯“电源”顺着电子流，我们会注意到：
网球之间的“间隙”沿与网球完全相反的方向移动（向后倾斜并向下向自动扶梯倾斜），并且移动速度更快。球自然地从高电位移动到低电位，但是速度相对较慢。然后使用自动扶梯将其移回到高电位。
自动扶梯的底部实际上是电池的负极端子，或者是我们之前讨论的原电池中的阴极。
自动扶梯的顶部实际上是电池的正极，或者是原电池的阳极。正极端子具有较高的电势。
当前
好吧，所以正电荷流向的方向就是电流的方向。
当前是什么？
根据定义，它是：每秒通过横截面积的电荷量（单位：每秒库仑）。它与导线/导电材料的横截面积和电流密度成正比。电流密度是流过单位面积的电荷量（单位：库仑/米平方）。
这是另一种思考方式：
如果您有一个网球发射器，将带正电荷的球从门口吐出，则每秒通过门的球的数量决定了它的“电流”。
这些球运动多快（或者当它们撞到墙壁时它们有多少动能）就是“电压”。
节省电荷和电压
这是一个基本原则。
这样想：电子和质子是固定的。在电路中，物质既不会产生也不会破坏……因此电荷始终保持不变。在网球自动扶梯的示例中，球只是循环运动。球的数量保持固定。
换句话说，电荷不会“消散”。您永远不会丢失费用。
发生的事情是电荷失去了潜力。理想的电压源将其电势返回。
电压源不会产生电荷。它们产生电势。
电流流入和流出节点，电阻
让我们采用节约费用的原则。类似的类推可以应用于水流。
如果我们有一条在山上分支的河流系统，则每个分支都类似于一个电“节点”。
/ BRANCH A
/
/
MAIN ---
\
\
\ BRANCH B
-> downhill
根据节约原则，流入分支机构的水量必须等于流出分支机构的水量：既不产生也不破坏水（电荷）。
但是，流经特定分支的水量取决于该分支产生的“阻力”。
例如，如果分支A极窄，分支B极宽，并且两个分支的深度相同，则分支B自然会具有较大的横截面积。
这意味着分支B的阻力较小，并且可以在单个时间单位内流过较大量的水。
这描述了基尔霍夫的现行定律。
你还在这里？太棒了！
1.其余未使用的电流会怎样？
由于守恒原理，所有流入节点的电荷必须流出。有没有“未使用”电流，因为电流不使用。单个串联电路中的电流没有变化。
然而，取决于不同分支的电阻，不同量的电流可以流过并联电路中的电节点中的不同分支。
2. LED是否使用所有电流？
从技术上讲，LED和一个或多个电阻器不“使用”电流，因为电流没有下降（单位时间内通过LED或一个或多个电阻器的电荷量）。这是因为节省了施加到串联电路的电荷：整个电路中没有电荷损失，因此没有电流下降。
的量的电流（电荷）由LED和电阻器（多个）的行为可以通过所述测定IV曲线
3.为什么LED会“下降”一定量？
这是一个基本的LED电路。
LED具有激活电压，通常约为1.8至3.3V。如果不满足激活电压，则几乎没有电流流过。请参阅下面链接的LED IV曲线。
如果试图以与LED极性相反的方向推动电流，则将以“反向偏置”模式操作LED，在该模式下几乎没有电流通过。LED的正常工作模式是正向偏置模式。在反向偏置模式下，超过某个点，LED会“崩溃”。检查二极管的iv图。
LED实际上是PN结（将p掺杂和n掺杂的硅挤压在一起）。基于掺杂硅的费米能级（取决于掺杂材料的电子带隙），电子需要非常特定数量的激活能才能跃迁到另一个能级。然后，当它们跳回较低的水平时，它们以非常特定的波长/频率作为光子辐射能量。
与灯丝和CFL灯泡相比，这是LED的高效率（LED耗散的能量的90％以上转化为光而不是热量）。
这也是LED照明看起来如此“人造”的原因：自然光包含相对均匀的广谱频率混合。LED发出非常特定频率的光的组合。
能量水平还可以解释为什么即使有更多的电流通过，LED（或其他二极管）上的电压降也可以有效地“固定”。检查LED或其他二极管的iv曲线：超出激活电压后，电流会增加LOT，而电压会略有增加。从本质上讲，LED将尝试让尽可能多的电流流过它，直到其物理损坏为止。
这也是为什么要使用串联限流电阻将流经二极管/ LED的电流限制为基于LED规格的特定额定毫安的原因。
3（b）。其余串联的组件会发生什么情况，每个组件的电压是否下降，直到没有剩余？
是的，基尔霍夫（Kirchoff）的电压定律是，电路周围环路中所有压降之和为零。在简单的串联电路中，只有一个环路。
4.在到达电路末端之前，您是否选择了“耗尽所有电流/电压”的电阻器？
不。您可以根据LED电流额定值（例如30 mA = 0.03 A）和LED电路文章中所述的欧姆定律来选择电阻器。
您的电压将耗尽。在单个串联电路中，您的电流保持不变。
5.如果直接连接端子，为什么电池会完全短路，但是如果添加灯泡（电阻器），电池却不会短路？
我不确定您所说的“死定”。
将电池的端子连接在一起会导致以电池的电压放电的大电流。该电压通过电池的内部电阻和导线以热的形式耗散-因为即使导体也具有一定的电阻。
这就是为什么短路的电池会过热。该热量可能会对化学电池的成分产生不利影响，直到炸毁为止。
6.为什么需要电阻器？
这是夸夸其谈的：想像一下这场精彩的音乐会。您所有喜欢的乐队都将在那里。这将是一个令人陶醉的美好时光。
假设活动组织者没有现实的概念。因此，他们几乎完全免费地支付了这场令人惊叹的音乐会的入场费。他们把它放在一个非常容易接近的地方。实际上，它们是如此杂乱无章，他们甚至都不在乎是否超售，也没有足够的席位供每个购买票的人使用。
哦，这是在纽约。
很快，这场精彩的音乐会变成了一场彻底的灾难。人们彼此坐在一起，到处洒啤酒。吵架爆发了，洗手间被塞满了，追星族吓到了所有人，您几乎听不到吵闹的音乐。
将您的LED视为一场了不起的音乐会。想一想，如果您没有更多的阻力来阻止所有人和他们的妈妈出现在音乐会上，那么您的LED将会变得多么混乱。
在这个愚蠢的例子中，“抵抗力”转化为“进入成本”。按照简单的经济原则，提高演唱会的成本会减少参加音乐会的人数。
类似地，提高电路中的电阻可防止电荷（以及随后的电流）通过。这意味着您的LED（音乐会）不会被所有人（收费）完全破坏。
是的，电气工程是一个真正的聚会。