入门#电压#电流#电阻#功率#基础概念

电压、电流、电阻与功率 Voltage / Current / Resistance / Power

这是全书的第一章。先把四个最基础的量——电压、电流、电阻、功率——建立起直觉，后面所有电路都是它们的组合。

1. 设计动机

拿到一个电路，你最先要回答的问题是：这个元件两端加了多少电压？流过多少电流？耗散多少功率？电压超了会击穿，电流大了会烧线，功率超了会冒烟。这三个量（外加一个电阻）是所有硬件故障的根源，也是选型、散热、保险的计算起点。分不清它们，后面的欧姆定律、分压、功耗全是空中楼阁。

把电路想象成一根封闭的水管：

水压差越大、管子越通畅（电阻越小），水流越大——这就是下一章欧姆定律 $I=V/R$ 的直觉。

几个必须刻进脑子的约定：

电压是"两点之间"的量。说"某点有 5V"，一定是指它相对"地（0V 参考点）"的电位差。单独说一根线的电压没有意义，就像不能说"这里的海拔是多少"而不提海平面。
电流是"流过截面"的量，必须指定方向。工程上把正电荷移动的方向定为电流方向；金属里实际跑的是带负电的电子，方向正好相反（见上图右侧标注）。
电阻是元件本身的属性，欧姆是 Ω，常见量级：信号电路里 kΩ~MΩ，功率电路里 Ω~mΩ。

功率的四个等价写法（知道任意两个量就能算第三个）：

P = V \cdot I = I^{2} R = \frac{V^{2}}{R}

各符号含义：

从能量定义推：电压 $V$ 是把 1 库仑电荷从一端搬到另一端所做的功（焦耳），电流 $I$ 是每秒流过的库仑数。两者相乘 = 每秒做的功 = 功率。代入 $V=IR$ （下一章）就得到 $P=I^2R=V^2/R$ 。这些是定义式，不是近似。

再给一个量级感觉：一节 1.5V 干电池带 100 mA 负载，功率仅 0.15 W；而家里一台 220V、1000W 的电热水壶，电流约 $I=P/V=1000/220\approx4.5$ A——这就是为什么水壶的线比 USB 线粗得多。

把"电压"当成"某点自己有多少电"：现象——万用表只测一个表笔不知道读什么。原因——电压永远是两点电位之差，单表笔悬空测到的是拾取的噪声。解决——红表笔测点、黑表笔接参考地（或另一被测点），测的是两者之差。
功率只记得 $P=VI$ ，忘了 $P=I^2R$ ：现象——算限流电阻发热时只算负载功率，结果电阻烫手。原因——串联电阻上也会分压、也要耗散 $I^2R$ 。解决——限流电阻的额定功率必须按 $I^2R$ 留余量，至少取计算值的 2 倍以上。
混淆电流方向和电子方向：现象——分析二极管/三极管偏置时方向搞反。原因——教材按"正电荷流动"定义电流，而金属里实际载流子是电子。解决——分析电路一律用"惯例电流方向"（高电位流向低电位），不用管电子实际往哪跑。

USB 5V 接一个负载，测得电流 1A，这个负载消耗多少瓦？它的电阻大约是多少？

$P=V\times I=5\times 1=$ 5 W。电阻 $R=V/I=5/1=$ 5 Ω。

说"这个芯片引脚是 3.3V"，这句话省略了什么？测电压时万用表另一支表笔该接哪？

省略了参考点。引脚的 3.3V 是相对地（GND，0V）的电位差。另一支黑表笔应接电路的地。若黑表笔改接另一根 1.8V 的线，读到的就不是 3.3V，而是两者的压差 1.5V。

为什么 220V 的电热水壶（1000W）电源线比 5V/2A 的 USB 线粗那么多？

决定线径的是电流：电水壶 $I=1000/220\approx4.5$ A，USB 线只有 2 A，且低压大电流的线损占比更高。线细了在 4.5A 下会发热甚至熔化——粗线是为了降低电阻、减小 $I^2R$ 发热。