第三步：电路原理基础 - 牛人DIY马克思发生器：12V到180kV的巨变

第三步：电路原理基础
 

现在，把话题转移到我最感兴趣的电学部分——电路
 

电路遵守上述物理概念及定律，由电子元件组成，分立元件通过物理定律来实现各种特殊的功能。了解电路元件是怎样工作的有助于复杂电路的分析。制作马克思发生器只需要三个独立的元件：电阻、电容和火花间隙。但是，为了提供更多的电学知识，我还在这里介绍几个其它几个主要的元件。
 

电阻：阻止电流通过，电阻是增加电流通过的阻力就像摩擦力一样。电路负载包括（例如电灯）增加电阻值或者是感抗元件产生的阻抗。导线拥有固有的金属特性电阻率，导线的电阻值等于电阻率与导线长度的乘积除以横截面积。电阻、电阻两端电压以及通过电阻的电流都遵守欧姆定律。电位器、变阻器和微调电容器都是可变电阻，可以在分压电路中应用。电阻通常用于限流或分压，在这里，我将电阻用来延迟电容的充放电。
 

电容：可以存储能量，由两个电极组成，两端存在电压时电荷就会聚集。在两电极之间产生的均匀电场强度与电极表面电荷密度成正比，由于电荷的聚集，电场强度和电极之间的电压也将随之增加。当电容电压等于电源电压时电流将等于0。减小电极的面积时，单位电荷的电压会增加而电荷聚集也会相应的减少。在特定的电容器中电荷量与电压的比值保持不变，这个比值就是电容值（C），电容储存的电场能量值等于0.5CU²。电容可通过RC电路充电，而且在充电过程中电容电压与电源电压的差值逐渐减小，从而使得充电速度降低。可以利用一阶微分方程计算直流RC电路中电流随时间的变化，结果表明电流呈指数形式下降至0，而且电容与电阻的乘积越大，下降的越快。RC电路中R*C是个常量，称作时间常数。电容在电路中存在容抗，交流电中电抗元件对电流的阻碍作用叫阻抗，阻抗等于电阻与电抗在向量上的和。换句话说，在高频电路中，电容的容抗接近0，在电路中相当于短路。而在低频电路中（直流电路）电容的阻值无限大，相当于电路开路。在这里，我们会用电容器作主要的储能元件。
 

电感和变压器：储存磁场能量，电感的磁场作用类似于电容的电场效应。电感就是导电线圈，其本身存在寄生电感（两根导线靠近时也会产生寄生电容）。电感就应用了安培定则与法拉第电磁感应定律描述的电磁学。安培定则提到电流通过导线周围会产生磁场，而法拉第电磁感应定律则表示磁通量变化时，导体会产生电流来抵消磁场的变化。结合以上两个定律可以看出电感单个线圈环所产生的磁场是用来组织电流通过线圈，电感器这种特有的性质定量为电感（L），电感储存的磁场能量为0.5LI²。像电容一样，电感可以利用一阶微分方程计算直流RL电路中电流随时间的变化，可看出电流逐渐趋向于V/R，这个值按照指数的形式增长，并且随L/R的增加，电流的增速也加快。L/R为电路时间常数。当通过电感的电流变化时会产生阻碍电流通过的电动势，这个电动势的大小与电流变化的速率和电感大小的乘积成正比。由此可以看出，电感阻碍电流变化的程度就是感抗，电感在直流和交流电路中的作用与电容相反。因此，在LC电路中就存在容抗与感抗抵消的频率，这个频率叫谐振频率，在此频率下电路呈纯电阻性。
 

两个电感线圈可以组成变压器，其中一个线圈为初级线圈，另一个为次级线圈。两个线圈之间存在互感，也称作耦合。初级线圈电流变化时，产生的磁通也将变化，而磁通会通过磁芯转移到次级线圈。而这导致在次级线圈产生电流，电流值与初级线圈的电流成正比。初级线圈匝数与次级线圈匝数的比值决定两级线圈的电压、电流关系。次级线圈的电压值等于初级电压除以匝数比，而电流等于初级线圈电流乘以匝数比，所以能量没有变化。如果次级线圈与初级线圈的比值大于1，那么次级电压降更大，这类变压器是升压变压器，反之称为降压变压器。变压器的初级与次级线圈可随时对换，在这里我们会用到升压变压器来提供电压。
 

二极管：只允许电流单向通过，半导体二极管由两个参杂的半导体材料连接组成。正向导通电压为一般为0.7V-1.4V，大于导通电压则可以允许电流通过。而反向击穿电压远远大于正向压降，反向电压超过击穿电压时二极管会被损坏，而电流可反向通过（通常情况下这不是理想状态）。但是，对于稳压二极管就是利用反向雪崩击穿而工作。二极管还经常用于整流电路，电路由4个二极管组成，叫全波整流电器或者二极管电桥。我们会用到二极管将交流信号变为直流。
 

三极管：作开关以及放大用，尽管三极管的种类很多，但是大多数都有相同结构组成：基极，集电极，发射极。三极管由两个PN结结合组成，有NPN型和PNP两种形式。从基区传输到集电区的信号能够被放大，最后从发射极输出的信号比信号源更大。高增益三极管可应用于二态逻辑电路，我们会用到大功率NPN三极管来改变变压器的电流。
 

火花间隙：在高压状态时导电，火花间隙由两个电极组成，电极被空气或其他绝缘体隔开。在一定的电压范围内，绝缘体会组织电流通过。但是当两电极间的电压超过极限值，绝缘体将会变成导体。空气电离极限电压是每毫米间隙大概1kV，我们用火花间隙来触发马克思发生器产生火花。
 

特殊元件—制动器，换能器和传感器：转换能量的形式，换能器就是用来做能量转换用的。制动器（例如电动机和电磁线圈）能将电能转化为动能。麦克风、扬声器和压电材料就可称作换能器。传感器则可通过环境的变化来发送信息，比如光强度的变化以及化学成分的改变。
 

集成电路：将电路封装到微小的芯片，IC的集成度也呈指数形式增长，这个增长趋势叫摩尔定律，而IC也变得更小、性能更好以及更便宜。目前的技术足以使数十亿个三极管封装到一个IC。在这个制作过程中会用到TLC555定时器来产生方波信号。