Appearance
电学基础：电流、电压与基本定律
很多人玩嵌入式，第一步就卡在同一个地方：拿到开发板想点亮一个 LED，结果不是灯不亮，就是灯烧了。翻开教程，大多直接讲寄存器、讲代码，默认你懂电路——可你偏偏就缺这一课。
这篇文章就是来补这一课的。学完你会得到两样东西：对电流、电压、电阻的直觉理解，以及欧姆定律、功率计算、焦耳定律、串并联这四件随身工具。够你看懂简单的电路图，也够你算出"这个 LED 该配多大的电阻"。
先说好边界：本文只讲嵌入式直流弱电场景（3.3V、5V、12V）需要的基础，交流强电只涉及安全常识。有些地方做了简化，不追求物理上的严格，追求工程上的够用。
一、电流：电荷的定向流动
你见过LED一闪一闪，但看不见导线里发生了什么。其实导线里正在发生一场"集体行军"：在电场的驱动下，无数电荷朝同一个方向移动。电流（Current）就是描述这场行军规模的物理量——单位时间内通过导体横截面的电荷量。
电场驱动电荷通过导体横截面，形成电流
电流的单位是安培（A）。1A 表示 1 秒内有 1 库仑（C）的电荷通过横截面，1 库仑约等于 个电子。日常换算：1A = 1000 毫安（mA），1mA = 1000 微安（μA），1μA = 1000 纳安（nA）。单片机引脚输出通常是几毫安到二十毫安，记住这个量级。
那么，电流到底是什么方向？这里有个历史遗留问题，几乎每个初学者都会绊一下。金属导体里实际移动的是电子（负电荷），电子从电源负极流向正极；但电学上定义的电流方向，是正电荷定向流动的方向——从正极出发，回到负极。两个方向正好相反。
这个定义在电子被发现之前就定下了，将错就错沿用至今。你只需要记住：画电路、看数据手册，一律按"正电荷方向"理解，把它当成一个约定就好。
二、电压：推动电流的力
电荷为什么会定向移动？因为电场在推它。电压（Voltage）就是衡量这股推力的物理量，也叫电势差——两点之间"电势"的差值。
你可以把电路想象成一套水管系统：电压是水压，电流是水流。水压越大，水流越急；同理，电压越高，在同样的导体里电流越大。这个类比后面还会反复用到。
电压是驱动电荷移动的电势差
电压的单位是伏特（V）。1V 的物理含义是：电场对 1C 电荷做 1 焦耳的功（）。换算关系：1kV = 1000V，1V = 1000mV，1mV = 1000μV。
三、电阻：对电流的阻碍
回到水管的类比：如果水管某一段突然变细，水流就会受阻。导体对电流的阻碍作用，就叫电阻（Resistance），用字母 R 表示，单位是欧姆（Ω）。电阻越大，同样的电压下电流越小。
换算关系：1kΩ = 1000Ω，1MΩ = 1000000Ω。嵌入式电路里常见的电阻从几十欧到几十千欧，先混个眼熟。
至此三个基本量都登场了。先记住它们的角色分工：电压是"推力"，电流是"流量"，电阻是"阻力"。后面所有定律，都是在描述这三者之间的关系。
四、电路：电流的闭合路径
有了推力、流量和阻力，还需要一条路。物理学上把电池这类提供电能的装置叫电源，把灯泡、电动机、蜂鸣器这类消耗电能的装置叫用电器。电源、用电器，加上导线和开关，组成电流可以流过的路径——电路。
实物电路（左）与对应的电路图（右）：电池、开关、灯泡组成的简单回路
注意上面这条定义里最容易被忽视的一点：只有电路闭合时，电路中才有电流。电池接上灯泡，如果回路断开，哪怕只断一毫米，灯也不会亮。新手排查"灯不亮"，八成是回路没闭合。
画图时如果把元件原样画出来，既麻烦又不清楚，所以工程师用图形符号表示元件。下图是几种常用元件及其符号（依据国家标准 GB/T4728 绘制），以后看原理图就是在读这些符号。
几种常用的电路元件及其符号（GB/T4728）
电路有三种状态，必须分清。正常接通、用电器能够工作的电路叫通路；某处被切断、电流中断叫断路；直接用导线把电源正、负极连起来叫短路。
三种状态实物演示：甲为通路，乙为断路，丙为短路
注意： 短路时电流不经过任何用电器，电阻几乎为零，电流会瞬间变得极大，烧毁电源甚至引发火灾。接线前务必检查，绝对不要让电源两极直接相连。
五、直流与交流，弱电与强电
按电流方向是否变化，电分两类。方向始终不变的叫直流电（DC，Direct Current），电池、USB 供电都是直流；方向周期性变化的叫交流电（AC，Alternating Current），插座里的市电就是 220V、50Hz 的交流。
另一个更关乎安全的分法是弱电与强电。国家规定的安全电压是交流 36V 以下、直流 24V 以下，这个范围叫弱电——单片机的 3.3V、5V、12V，以及音频、网络、电话线路都属于弱电，主要用于传递信号。220V 家用电、上千伏的高压电属于强电，主要用于传递能量。
注意： 弱电平台用手直接触摸一般不会造成人身危险，最多静电击穿元器件；但强电平台一定不能用手直接触摸，会有生命危险。调试强电相关电路时，断电操作、单手操作、有人陪同，一条都不要省。
六、家庭电路：强电的一个缩影
虽然嵌入式主要跟弱电打交道，但你总要给设备插电，所以花一分钟看懂家庭电路是值得的。我国家庭电路的电压是 220V，它的结构可以概括成一条"流水线"。
家庭电路示意图：进户线、电能表、总开关、保险装置、用电器
两根进户线（火线与零线）进门后，第一站是电能表，记录你消耗了多少电能；第二站是总开关，检修时断开它，室内电路就与外部输电线完全隔离；第三站是保险装置——老式的是保险盒里的熔丝，电流过大时熔断切断电路；新建居民楼普遍用空气开关，电流过大时自动断开，就是俗称的"跳闸"。
为什么要串联这么多道关卡？先记住"电流过大会熔断、会跳闸"这个现象，学完焦耳定律你就明白背后的原理了。
七、欧姆定律：电路计算的第一工具
前面说电压是推力、电阻是阻力、电流是流量。三者之间的定量关系，就是欧姆定律（Ohm's Law）：同一导体上，电流与电压成正比，与电阻成反比。
这个公式有三个变体：、、，知二求一。它是整个硬件领域使用频率最高的公式，没有之一。
例. 例. 用 5V 电源接一个 1kΩ 的电阻，流过电阻的电流是多少？ 解. 。这正是单片机引脚电流的典型量级。
注意一个边界：欧姆定律只适用于纯电阻元件。后面会学到的二极管、三极管都不遵守它，硬套就会算错。
八、功率计算：你的电阻会不会烧
电能消耗的速率叫功率（Power），单位瓦特（W）。基本定义是电压乘电流，结合欧姆定律可以推出三个等价形式：
三个形式不是摆设，各有适用场景：知道 U 和 I 用第一个；电阻固定、电流已知用第二个；电压固定、电阻已知用第三个。选错形式不会让答案错，但会让计算绕远路。
例. 例. 上面那个 5V、1kΩ 的电路，电阻消耗的功率是多少？该选多大额定功率的电阻？ 解. 。常见直插电阻额定功率为 1/4W（0.25W），是实际功耗的 10 倍，完全够用。工程上一般留出 2 倍以上余量。
九、焦耳定律：电流的热效应
电流通过导体时会发热，这叫电流的热效应。发多少热，由焦耳定律（Joule's Law）给出：
热量与电流的平方成正比——这是最关键的一点。电流增大到 2 倍，发热量增大到 4 倍；增大到 10 倍，发热量就是 100 倍。现在回头看家庭电路：短路时电流飙升几十倍，发热量飙升上千倍，熔丝瞬间熔断、空气开关瞬间跳闸，正是焦耳定律在保护你的房子。
热效应有好坏两面。电烙铁、电热水壶是它的妙用；芯片过热烧毁是它的事故。做硬件选型时，永远多问一句：这点功耗变成热，散得掉吗？
十、串联与并联：两种基本连接
多个电阻接在一起只有两种基本方式。串成一串叫串联：电流只有一条路，处处相等，电压按阻值比例分配——串联分压。并排接在两点之间叫并联：各支路电压相等，电流按阻值反比分配——并联分流。
等效电阻的计算规则正好相反：串联越串越大，；并联越并越小，。两个电阻并联有个常用口诀：积除以和，。
例. 例. 计算下图中 A、B、C 三点的电压。
电路图1：12V 电源，100Ω 与两组并联支路
例. 解. 分三步走。 第一步，化简并联：600Ω 支路与（400+200）Ω 支路并联，阻值都是 600Ω，并联后 。 第二步，求总电流：回路总电阻 ，。A 点电压 。 第三步，求 B、C：C 直接接地，。流过 B 支路的电流 ，所以 。 答案：，，。
这道题把欧姆定律、串并联化简、分压计算串成了一条链。以后遇到再复杂的电阻网络，套路都一样：先化简、再总电流、然后逐点算。
小结
- 电流是流量（安培），电压是推力（伏特），电阻是阻力（欧姆）；电流方向按正电荷约定
- 电路必须闭合才有电流；短路是头号事故，强电是头号危险
- 欧姆定律 知二求一，但只适用于纯电阻元件
- 功率 管选型，焦耳定律 管发热
- 串联分压、并联分流；电阻网络先化简、再总电流、逐点算
下一篇我们进入元器件的世界：电阻、电容、电感这三大被动元件，实物长什么样、参数怎么看、色环怎么读。