《迷人的8051单片机》----第1章 缤纷电世界 1.1电路中的秘密

本节书摘来自华章出版社《迷人的8051单片机》一书中的第1章，第1.1节，作者高显生，更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。
第1章

缤纷电世界

古人从闪电跨越天空和物品相互摩擦而产生吸引等自然现象中开始了对电的懵懂认知。此后，人们对电倾注了无比的热情。从能存储电的莱顿瓶、富兰克林带电的风筝到伏打电池的问世，在一次次的失败中不断地总结关于电的实践经验。19世纪前期，奥斯特发现了电流的磁效应。随后，欧姆发现了电路中电压、电阻以及通过电阻的电流之间具有简单数学关系，即欧姆定律。之后，安培和法拉第等人相继发现了电场和磁场间的关系。19世纪下半叶，麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，提出了电磁理论并预言了电磁波的存在。到20世纪初，洛伦兹创立了经典的电子论，用电子的概念来解释物质的电性质，这些理论都为现代物理学奠定了理论基础。在众多的电学理论当中，欧姆定律也许是最重要的基础理论。好，我们就从欧姆定律说起……

1.1　电路中的秘密

由金属导线、电源和电子部件组成的导电回路，称为电路。拆开你的台式计算机，你会看到一块A4纸大小的板，上面布满了大小不一的电子元器件，我们称之为主板，如图1-1所示。主板承载着计算机大部分元器件的运行，正是这些形形色色的元器件和电路，实现了计算机中复杂的运算和控制逻辑。

1.1.1　欧姆定律

欧姆定律揭示了电路中电压、电流和电阻三者之间的关系，即电压等于电流和电阻的乘积。当电阻恒定时，电压和电流成正比关系；当电压恒定时，电流和电阻成反比关系。欧姆定律可以用简单的数学公式来描述：

U = I×R

在上面的公式中，字母U代表电压，I代表电流，而R则用来表示电阻。当你知道了电路中3个量中的两个，就可以依据欧姆定律求出第三个量。欧姆定律看似简单，但对于复杂电路的定量分析同样适用，电路中电压、电流和电阻的单位与符号详见表1-1。

1.1.2　电压、电阻和电流

1. 电压

我们对电压的感性认识来源于生活。一节5号电池的电压是1.5V，墙壁上插座里的电压是220V，这些不同的电压值实际上是告诉我们电源将用多大的压力去推动电流通过电路。把电压的概念与水压相类比，可以帮助我们更加形象地理解电压：自来水管的压力越高，水龙头流出的水就会喷洒得越远；反之，如果水压很低，水流就会随之变小甚至很难从水管中流出。电压是指静电场或电路中两点间的电位之差，电源是提供电压的装置，电压的单位是伏特，单位符号是“V”，比较常用的电压单位还有毫伏（mV）、千伏（kV）等，它们之间有如下的换算关系。

1kV = 103V

1V = 103mV

2.电流

将一个白炽灯连接到220V的电源上，灯泡会亮，这说明有电流流过钨丝，并产生了光和热。我们在前面说过，电源的电动势形成了电压，进而产生了电场力。在电场力的作用下，处于电场中的电荷发生定向移动，形成了电流。因此，电流是由电荷的定向移动形成的，电流的大小称为电流强度，单位是安培，单位符号是“A”。常用的单位还有毫安（mA）、微安（μA）等，它们之间有如下的换算关系：

1A = 103mA

1mA = 103μA

3. 电阻

将一段导线剖开，就会看到导线内部的铜芯和铜芯外面包裹的塑料外皮。这两种不同的材料恰好是导体和绝缘体的代表。有些材料可以让自由电子顺利地从其中通过，这样的材料称为导体。而另外一些材料，对电子的束缚能力很强，电子很难通过，这一类材料称为绝缘体。

基于特殊的原子结构，大多数的金属都是导体。比如铜，它的导电性能很好，是制作导线的良好材料；而同样是金属的铁，导电性则比铜差。也就是说当同样的电流从两种材料中流过时，铜对电子的阻碍作用小，而铁的阻碍作用则稍大一些。电阻就是用来表示导体对电流阻碍作用的物理量，也就是说：在通常情况下，相同长度、相同横截面积的铜的电阻要小于铁。

不同大小的电阻对电流的阻碍作用不同，电阻大，对电流的阻碍作用就大，所以电阻在电路中承担的主要作用就是调整电路中的电流。基于这些原理，电阻还可以有分压、降压的作用。电阻的单位是欧姆（简称欧），单位符号是“Ω”，比较大的电阻单位有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ）等，它们之间有如下的换算关系：

1kΩ=103Ω

1MΩ = 106Ω