电磁学、磁电学与磁电子学

孙阳

重庆大学教授

电磁学与磁电学是一回事吗？不是的。

磁电学与磁电子学是一回事吗？也不是。

电磁学electromagnetism

电磁学是研究宏观电磁现象以及电与磁交互关联的物理学分支学科。众所周知，电磁学的精髓可以用麦克斯韦方程组来概括：

其中的电场E和磁场B是根据电荷受力（库仑力和洛伦兹力）来定义的场。第一个方程描述了静电场的特征——静电场是有源场，来源于电荷；第二个方程描述了静磁场的特征——静磁场是无源场，散度为零；第三个和第四个方程描述了电场和磁场的关联——变化的磁场可以产生电场，电流或变化的电场可以产生磁场。

以上是真空中的麦克斯韦方程组，当存在非真空的介质时，麦克斯韦方程组需要改写。为了描述介质中的电磁现象，人们定义了一些物理量：电极化强度P，电位移矢量

磁化强度M，磁感应强度

由此，可以得到介质中的麦克斯韦方程组：

上述介质中的麦克斯韦方程组其实隐含了一个前提假设，即：对于常规的介质，外加磁场H会在介质内部诱导出磁化强度M，外加电场E会在（绝缘）介质内部诱导出电极化强度P，如图1所示。

那么，有没有这样一类介质？外加磁场不仅产生磁化强度而且可以诱导出电极化强度，外加电场不仅产生电极化强度而且可以诱导出磁化强度，如图2所示。

这种由磁场诱导电极化强度和电场诱导磁化强度的现象被称为磁电效应（magnetoelectric effects）。为了强调这是磁和电之间的一种非常规耦合现象，人们也常常把magnetoelectric effects翻译为磁电耦合效应。

显然，对于存在磁电耦合效应的介质，经典麦克斯韦方程组将不足以描述其中的电和磁交互关联的行为。

这样的磁电耦合介质是否真的存在呢？答案是肯定的。

近二十年来，对介质中磁电耦合效应的研究正逐渐发展成为一门新兴的前沿分支学科——磁电学。

磁电学magnetoelectricity

关于磁电耦合效应的研究最早可以追溯到19世纪末。1894年，法国物理学家居里先生（Curie）基于晶体的对称性理论，预言了某些晶体中可能会存在一种本征的磁电耦合效应[1]。1926年，荷兰物理学家德拜（Debye）在总结了前人一系列不太成功的实验后，提出了“magneto-electrical effect”这一名词[2]。

1950-1960年代，前苏联科学家在磁电耦合效应的理论和实验研究方面做出了突破性的贡献。朗道（Landau）和栗弗席兹（Lifshitz）在1960年出版的《连续介质的电动力学》（Electrodynamics of Continuous Media）一书中，已经有关于磁电耦合效应的详细理论描述。1959年，Dzyaloshinskii理论预言了反铁磁体Cr₂O₃中存在磁电耦合效应[3]，随后于1960年被Astrov在实验中证实[4]。Cr₂O₃成为第一个被确认的磁电耦合材料。

在此后的十多年里，人们又陆续发现了几十种具有磁电耦合效应的材料。然而，这些材料中的本征磁电耦合效应都很微弱，并无任何应用价值。因此，这些关于磁电耦合效应的早期研究并没有引起太多的关注。

1970年代以后，人们想到了一种增强磁电耦合效应的策略：让铁磁性和铁电性在一种材料中共存，从而有可能促进磁性和电性之间的相互耦合。这一策略直接产生了复合磁电材料（即把铁电体和铁磁体复合在一起，通过两相的界面产生间接的磁电耦合），并催生出了多铁性（multiferroicity）、多铁性材料（multiferroic materials）、多铁体（multiferroics）和磁电体（magnetoelectrics）等新概念和新名词[5]。

2003年，日本东京大学Tokura研究组在TbMnO₃中实现了磁场调控电极化，第一次演示了单相材料中较大的本征磁电耦合效应[6]。这一重大发现重新唤醒了人们对磁电耦合效应的兴趣，同时，由于室温单相多铁性材料BiFeO₃的发现[7]，学术界很快掀起了一股对磁电耦合和多铁性的研究热潮[8]。

近二十年来，关于磁电耦合效应的论文已有数万篇，内容涵盖了新材料探索、新奇效应发现、物理机制研究、应用器件开发、实验表征技术发展等各个方面，已逐渐形成了一门完整的新兴分支学科[9]。

需要指出的是，虽然磁电耦合与多铁性的研究密切相关，但是两者是两个独立的概念，多铁性并不是磁电耦合的必要条件。在笔者看来，无论从基础科学还是实际应用的角度出发，磁电耦合要比多铁性具有更基础、更深刻、更重要的内涵。

伴随着磁电耦合效应的研究，学术界出现了一个新的名词magnetoelectricity [10]。与multiferroicity（多铁性）相对应，magnetoelectricity可以被翻译为“磁电性”，泛指与磁电耦合相关的现象。同时，笔者认为，与电磁学（electromagnetism）相对应，magnetoelectricity也可以被称为“磁电学”，用于指称围绕磁电耦合效应而发展起来的一门新兴分支学科。

磁电子学magnetoelectronics

磁电子学与磁电学虽然仅一字之差，内涵却大不同。

磁电子学来源于magneto（磁）+ electronics（电子学）。半导体电子学是现代电子信息技术的基础，其本质是利用电场调控电荷的运动。在传统电子学中，人们几乎忽略了电子除了电荷之外的另一个基本属性——自旋。直到1988年，法国和德国的两个研究组分别独立地在磁性金属多层膜中发现了巨磁电阻(giant magnetoresistance，GMR)效应，其背后的物理机制使得人们开始意识到电子的输运行为可以与自旋自由度密切相关。

此后，随着越来越多与自旋相关的新效应被发现、被预言、被理解、被利用，一个新的前沿分支学科——自旋电子学（spintronics）蓬勃发展起来。两位最先发现巨磁电阻效应的科学家（法国的Fert和德国的Grünberg）也因自旋电子学的兴起而获得了2007年诺贝尔物理学奖。

由于电子自旋伴随着磁矩，也是物质宏观磁性的主要来源，因此，自旋电子学也被称为磁电子学（magnetoelectronics）[11]。

磁电子学/自旋电子学使得人们认识到，如果能够充分发掘和利用电子的自旋自由度，可以带来超越常规的物理性质。目前，对电子自旋自由度的关注几乎贯穿了凝聚态物理所有的前沿方向。更为重要的是，人们正在基于磁电子学开发新一代低能耗、非易失信息器件和技术，为传统半导体电子学正在面临的巨大瓶颈和挑战提供可能的解决途径。

在电磁学中，一个电流产生的磁场如图3(a)所示。在自旋电子学中，一个自旋极化的电流产生的磁场如图3(b)所示，除了常规电流产生的环形磁场外，还会伴随着一个电子自旋极化导致的有效磁场，其与电流密度、自旋极化方向和自旋极化率等参数有关。

在一个具有强自旋-轨道耦合的介质中通入一个电流I会产生自旋霍尔效应，如图4所示。此时，除了经典电磁学中由电流I产生的磁场外，在介质的边界还存在自旋极化的电子产生的额外磁场。

所以，经典麦克斯韦方程组不足以描述存在自旋极化电流和自旋-轨道耦合的情形。

除了自旋极化的电流外，介质中还可以存在无电荷输运的纯自旋流（spin current）。自旋波就是一种典型的纯自旋流。自旋波对应的量子叫磁子（magnon），近年来，对自旋波的基础和应用研究形成了磁电子学的一个亚分支——磁子学（magnonics）[12]。

虽然磁电子学和磁电学在研究内容上存在着一些前沿交叉，两者还是有着很大的区分度，不可混为一谈。磁电子学关注的核心是对电荷和自旋的输运行为的调控和利用，研究对象主要是导体（包括金属和半导体）。磁电学关注的核心是磁场/电场对电极化强度/磁化强度的交叉调控，研究对象主要是绝缘体。

麦克斯韦方程组需要改写吗

如前文所述，我们真实的物质世界要比麦克斯韦方程组描述的情形更丰富、更精彩。既然经典麦克斯韦方程组不足以描述所有介质中的电磁行为，那么，我们需要对其进行改写吗？

为了完整地描述一个介质对外加电场和磁场的响应，我们需要定义一系列系数，如图5所示。电流密度

电导率electrical conductivity：

反映了（导体）介质在电场作用下产生电流的能力；

电极化率electric susceptibility：

和介电率/介电常数dielectric permittivity：

两者都反映了（绝缘）介质对外加电场的响应能力；

磁化率magnetic susceptibility：

和磁导率magnetic permeability：

两者都反映了介质对外加磁场的响应能力；

正磁电耦合系数direct magnetoelectric coefficient：

反映了外加磁场在介质中诱导电极化强度的能力；

逆磁电耦合系数converse magnetoelectric coefficient：

反映了外加电场在介质中诱导磁化强度的能力；

磁电耦合电场（电压）系数：

反映了介质把外加磁场转化成电场的能力;

磁电耦合磁场系数：

反映了介质把外加电场转化成磁场的能力。

在非各向同性的介质中，这些系数都是二阶张量。相应地，磁电耦合系数也是一个二阶张量，

在实际的测量中，磁电耦合电场（电压）系数最容易测量，只需在介质上施加一个磁场，测量在介质两端产生的电压。由此，人们常常用磁电耦合电场（电压）系数来衡量一个材料的磁电耦合强度。

考虑（线性）磁电耦合效应后，介质中的麦克斯韦方程组可以被改写为如下形式：

其中，和是介质外部施加的电场和磁场或介质边界产生的电场和磁场。

从上述第三个方程可以看出，有两种途径来产生电场：一是通过变化的磁场（磁通）来产生电场，这正是传统发电机的原理；二是利用磁电耦合效应，通过交变的磁场来产生交变的电场，这是另一种发电机的原理。

从上述第四个方程可以看出，导体和绝缘体在外加电场作用下，分别通过电流（电导率）和磁电耦合来产生磁场。

对于大多数介质，磁电耦合系数都很小，因此磁电耦合项在麦克斯韦方程组中的贡献可以忽略不记。对于一些特殊介质，磁电耦合项变得不可忽略，甚至可以占据主导地位。例如，对于一些复合磁电耦合材料，在谐振条件下，其磁电耦合系数

即1 Oe的交变磁场可以在1 cm厚的磁电耦合介质两端产生超过1000 V的交变电压！

如果继续考虑自旋极化电流、自旋-轨道耦合等与自旋相关的物理效应，介质中电与磁的交互关联将变得更为复杂，需要引入更多的参数来描述。这也意味着经典麦克斯韦方程组需要不断被修补。

因此，笔者认为，对麦克斯韦方程组进行改写并无太大的意义。在大学物理《电磁学》和《电动力学》课程中，只讲授经典麦克斯韦方程组已足矣。在实际的科学研究和工程应用中，人们只需在麦克斯韦方程组的基础上，额外考虑特殊介质中特定效应带来的新问题。

麦克斯韦方程组因其简洁和对称而被誉为最美的物理学公式之一。如果为了囊括所有可能的情形，让简洁变得冗长，让对称美变得破缺，反而得不偿失，也是物理学家所不能忍的。

电磁学是人类对自然界中宏观电磁现象的归纳和总结，磁电学和磁电子学是对经典电磁学的补充，体现了人类进一步认识自然和改造自然的能力。通过有意识地设计制备新材料、新结构、新器件，使得天然介质中原本微不足道的物理效应得以被呈现、放大和利用，磁电学和磁电子学正在为人类文明带来新知识、新原理、新技术和新应用。

参考文献

[1] P. Curie, Sur Ia symétrie dans les phénomenes physique, symétrie d’un champ électrique et d’unchamp magnétique, J. Phys. 3, 39 (1894).

[2] P. Debye, Remark to some new trials on a magneto-electrical direct effect, Z. Phys. 36, 300 (1926).

[3] E. Dzyaloshinskii, On the magneto-electrical effect in antiferromagnets, Sov. Phys.-JETP 10, 628 (1959).

[4] D. N. Astrov, The magnetoelectric effect in antiferromagnetics, Sov. Phys.- JETP 11, 708 (1960).

[5] H. Schmid, Multiferroic magnetoelectrics, Ferroelectrics 162, 317 (1994).

[6] T. Kimura, T. Goto, H. Shintani, K. Ishizaka, T. Arima and Y. Tokura, Magnetic control of ferroelectric polarization, Nature 426, 55 (2003).

[7] J. Wang, et al. Epitaxial BiFeO3 multiferroic thin film heterostructures, Science 299, 1719 (2003).

[8] M. Fiebig, Revival of the magnetoelectric effect, J. Phys. D: Appl. Phys. 38, 123 (2005).[9] N. A. Spaldin and R. Ramesh, Advances in magnetoelectric multiferroics, Nature Materials 18, 203 (2019).

[10] Shuai Dong, Hongjun Xiang, and Elbio Dagotto, Magnetoelectricity in multiferroics: a theoretical perspective, National Science Review 6, 629, (2019).

[11] G. A. Prinz, Magnetoelectronics, Science 282, 1660 (1998).

[12] A. Barman et al. The 2021 magnonics roadmap, J. Phys.: Condens. Matter 33, 413001 (2021).

编辑：穆梓

基础电子中的电路基础知识

基本电子产品入门比您想象的要容易。这个Instructable有望使电子学的基础神秘化，以便对建筑电路感兴趣的任何人都可以踏上第一步。这是对实用电子学的快速概述，而我的目标不是深入研究电气工程科学。如果您有兴趣了解有关基础电子学的更多信息，那么Wikipedia是开始搜索的好地方。

在这本Instructable的结尾，任何有兴趣学习基本电子学的人都应该能够阅读原理图并使用标准的电子组件构建电路。

步骤1：电力

有两种类型的电信号，即交流电（AC）和直流电（DC）。

在交流电的作用下，电流在整个电路中的流动方向不断变化。您甚至可以说这是交替的方向。反转速率以赫兹为单位，即每秒的反转次数。因此，当他们说美国电源为60 Hz时，它们的意思是每秒反转120次（每个周期两次）。

使用直流电时，电流在电源和地面之间沿一个方向流动。在这种布置中，总有一个正电压源和一个接地（0V）电压源。您可以通过用万用表读取电池来进行测试。有关如何执行此操作的详细说明，请查看Ladyada的万用表页面（您将特别要测量电压）。

说到电压，通常将电定义为具有电压和额定电流。电压的单位显然是伏特，电流的单位是安培。例如，全新的9V电池的电压为9V，电流约为500mA（500毫安）。

电也可以根据电阻和瓦特来定义。在下一步中，我们将稍微讨论阻力，但是我不会深入探讨瓦特。当您深入研究电子产品时，会遇到具有瓦特额定值的组件。切勿超过组件的额定功率，这一点很重要，但是幸运的是，可以通过将电源的电压和电流相乘轻松地计算出直流电源的功率。

如果您想更好地了解这些不同的度量，它们的含义以及它们之间的关系，请观看有关欧姆定律的视频。

大多数基本电子电路都使用直流电。因此，所有有关电的进一步讨论都将围绕直流电展开。

（请注意，此页面上的某些链接是会员链接。这不会为您改变商品的成本。我将获得的所有收益再投资到新项目的开发中。如果您对替代供应商有任何建议，请让我知道。）

步骤2：电路

电路是电流可以流经的完整闭合路径。换句话说，闭合电路将允许电流在电源和地面之间流动。开路会中断电源与地面之间的电流。

属于此封闭系统且允许电流在电源与地面之间流动的任何事物均被视为电路的一部分。

步骤3：抵抗

要记住的下一个非常重要的考虑因素是必须在电路中使用电。

例如，在上面的电路中，电流流经的电动机为电流增加了阻力。因此，所有通过电路的电都被投入使用。

换句话说，需要在正极和地面之间连接一些东西，以增加电流的阻力并用尽它。如果正电压直接接地，并且不首先通过会增加电阻的物体（例如电动机），则将导致短路。这意味着正电压直接接地。

同样，如果电流通过的一个组件（或一组组件）没有为电路增加足够的电阻，则同样会发生短路（请参见欧姆定律视频）。

短路很糟糕，因为它们会导致电池和/或电路过热，断裂，着火和/或爆炸。

确保绝对不要将正电压直接接地，以防止短路，这一点非常重要。

就是说，请始终记住，电始终遵循对地面电阻最小的路径。这就是说，如果您给正电压选择通过电动机接地，还是沿着一条导线直接接地，那么它将跟随导线，因为导线的电阻最小。这也意味着通过使用导线绕过电阻源直接接地，会造成短路。平行布线时，请务必确保绝不要将正电压意外接地。

还要注意，开关不会给电路增加任何电阻，仅在电源和地之间增加一个开关就会造成短路。

步骤4：串联Vs。平行线

您可以通过两种不同的方式将事物连接在一起，称为串联和并联。

当事物串联连接时，事物又要彼此连接，这样，电流必须先穿过一件东西，然后再穿过另一件东西，再依次穿过，依此类推。

在第一个示例中，电动机，开关和电池都串联连接，因为唯一的电流流动路径是一条，另一条和另一条。

当事物并行布线时，它们并排布线，以使电流同时从一个公共点流到另一个公共点。

在下一个示例中，电动机并联连接，因为电流从两个公共点流过两个电动机，因此电流从一个公共点流到另一个公共点。

在最后一个示例中，电动机并联连接，但成对的并联电动机，开关和电池均串联连接。因此，电流以并联方式在电动机之间分配，但仍必须从电路的一部分到另一部分串联通过。

如果这还没有意义，请不要担心。当您开始构建自己的电路时，所有这些都将变得清晰起来。

步骤5：基本组件

为了构建电路，您需要熟悉一些基本组件。这些组件看似很简单，但却是大多数电子项目中的基础。因此，通过学习这几个基本部分，您将可以走很长一段路。

当我详细说明接下来的步骤中的每个步骤时，请耐心等待。

步骤6：电阻

顾名思义，电阻器会增加电路的电阻并减少电流。在电路图中，它以尖锐的曲线形式表示，旁边是一个值。

电阻上的不同标记代表不同的电阻值。这些值以欧姆为单位。

电阻器还具有不同的功率额定值。对于大多数低压直流电路，应使用1/4瓦电阻器。

您从左向右（通常）的金条读取值。前两种颜色代表电阻值，第三种代表乘数，第四种（金带）代表组件的公差或精度。您可以通过查看电阻颜色值图表来判断每种颜色的值。

或者...为了使您的生活更轻松，您可以使用图形电阻计算器简单地查找值。

无论如何...带有棕色，黑色，橙色，金色标记的电阻将转换为：

1（棕色）0（黑色）x 1,000 = 10,000，公差为+/- 5％

任何超过1000欧姆的电阻器通常都使用字母K进行短路。例如，1,000表示1K；而1000表示1K。3,900，将转换为3.9K；470,000欧姆将变成470K。

超过百万的欧姆值用字母M表示。在这种情况下，1,000,000欧姆将变为1M。

步骤7：电容器

电容器是存储电能的组件，然后在出现电能下降时将其放电到电路中。您可以将其视为储水罐，该储水罐在发生干旱时会释放水以确保水流稳定。

电容器的单位为法拉。大多数电容器中通常会遇到的值以皮法拉（pF），纳法拉（nF）和微法拉（uF）为单位。这些通常可以互换使用，这有助于准备转换表。

最常见的电容器类型是看起来像微型M＆M的陶瓷圆盘电容器，其中伸出了两根电线，而看起来更像是小的圆柱形管的电解电容器，其中有两条电线从底部（或有时在两端）伸出。

陶瓷盘式电容器是非极化的，这意味着无论将其插入电路中的哪种方式，电流都可以通过它们。它们通常标有需要解码的数字代码。阅读陶瓷电容器的说明可在此处找到。这种类型的电容器通常在示意图中表示为两条平行线。

电解电容器通常是极化的。这意味着需要将一个分支连接到电路的接地侧，而另一个分支必须连接到电源。如果向后连接，它将无法正常工作。电解电容器上写有值，通常用uF表示。它们还会用减号（-）标记连接到地面的腿。该电容器在示意图中以并排的直线和曲线表示。直线表示连接电源的一端，曲线表示接地。

步骤8：二极管

二极管是极化的组件。它们仅允许电流沿一个方向通过它们。这很有用，因为可以将其放置在电路中以防止电流以错误的方向流动。

要记住的另一件事是，它需要能量穿过二极管，这会导致电压下降。通常损耗约为0.7V。在以后讨论一种称为LED的特殊形式的二极管时，请记住这一点很重要。

二极管一端的环表示二极管接地的一侧。这是阴极。然后，另一端接上电源。这一侧是阳极。

二极管的零件号通常写在其上，您可以通过查找其数据表来找到其各种电性能。

它们在示意图中表示为一条直线，三角形指向该直线。该线是连接到地面的那一侧，三角形的底部连接到电源。

步骤9：晶体管

甲晶体管需要在一个小的电流在其基部销并放大它，使得更大的电流可以在其集电极之间并发射针通过。在这两个引脚之间流过的电流量与施加在基础引脚上的电压成正比。

晶体管有两种基本类型，即NPN和PNP。这些晶体管在集电极和发射极之间具有相反的极性。有关晶体管的非常全面的介绍，请查看此页面。

NPN晶体管允许电流从集电极引脚流到发射极引脚。它们在示意图中用基座的线，连接到基座的对角线和背离基座的对角箭头表示。

PNP晶体管允许电流从发射极引脚流到集电极引脚。它们在示意图中用基座的线，连接到基座的对角线和指向基座的对角箭头表示。

晶体管上印有其零件号，您可以在线查找其数据表以了解其引脚布局和特定特性。一定要注意晶体管的电压和电流额定值。

步骤10：集成电路

一个集成电路是已经与所述芯片连接到电路中的一个点的每个腿小型化并配合到一个小的芯片的整个专用电路。这些小型化电路通常由诸如晶体管，电阻器和二极管的组件组成。

例如，555定时器芯片的内部原理图中包含40多个组件。

像晶体管一样，您可以通过查找数据手册来全面了解集成电路。在数据手册中，您将学习每个引脚的功能。它还应说明芯片本身和每个单独引脚的电压和电流额定值。

集成电路具有各种不同的形状和尺寸。作为初学者，您将主要使用DIP芯片。这些具有用于通孔安装的销。随着技术的进步，您可能会考虑将SMT芯片表面贴装焊接到电路板的一侧。

IC芯片的一个边缘上的圆形凹口表示芯片的顶部。芯片左上方的引脚被认为是引脚1。从引脚1开始，您依次从侧面向下读取直到到达底部（即引脚1，引脚2，引脚3 ..）。到达底部时，您移至芯片的另一侧，然后开始向上读取数字，直到再次到达顶部为止。

请记住，一些较小的芯片在引脚1旁边有一个小点，而不是在芯片顶部有一个槽口。

没有将所有IC都集成到电路图中的标准方法，但是通常将它们表示为带有数字的方框（数字表示引脚号）。

步骤11：电位器

电位器是可变电阻器。用简单的英语来说，它们具有某种旋钮或滑块，您可以转动或推动这些旋钮或滑块来改变电路中的电阻。如果您曾经在立体声或滑动式调光器上使用过音量旋钮，那么您就在使用电位计。

电位计像电阻一样以欧姆为单位进行测量，但是它们没有色带，而是直接在其上标明了其额定值（即“ 1M”）。它们还标有“ A”或“ B”，表示其具有的响应曲线的类型。

标有“ B”的电位器具有线性响应曲线。这意味着，当您旋转旋钮时，电阻均匀增加（10、20、30、40、50等）。标有“ A”的电位器具有对数响应曲线。这意味着，当您旋转旋钮时，数字将对数增加（1、10、100、10,000等）

电位器具有三个分支，以创建一个分压器，该分压器基本上是两个串联的电阻。当两个电阻器串联时，它们之间的点是电压，该电压是源值和地之间的某个值。

例如，如果在电源（5V）和接地（0V）之间串联两个10K电阻，则这两个电阻相遇的点将是电源（2.5V）的一半，因为这两个电阻的值相同。假设该中间点实际上是电位计的中心引脚，那么当您旋转旋钮时，中间引脚上的电压实际上将朝着5V增大或朝着0V减小（取决于您朝哪个方向旋转）。这对于调节电路中电信号的强度（因此将其用作音量旋钮）很有用。

这在电路中以电阻器表示，箭头指向其中间。

如果仅将外部引脚和中心引脚之一连接到电路，则仅更改电路内的电阻，而不更改中间引脚上的电压电平。这也是用于电路构建的有用工具，因为通常您只想更改特定点的电阻，而不创建可调的分压器。

此配置通常在电路中表示为电阻器，箭头从一侧伸出并向内循环指向中间。

步骤12：LED

LED代表发光二极管。它基本上是一种特殊类型的二极管，当电流通过时会点亮。像所有二极管一样，LED是偏振的，并且电流只能沿一个方向通过。

通常有两个指示灯可让您知道电流将通过哪个方向和LED。第一个指示LED将具有较长的正极引线（阳极）和较短的接地引线（阴极）。另一个指示器是LED侧面的平坦凹口，用于指示正极（阳极）。请记住，并非所有的LED都有此指示标记（或有时是错误的）。

像所有二极管一样，LED在电路中产生电压降，但通常不会增加太多电阻。为了防止电路短路，您需要串联一个电阻。要确定您需要多大的电阻才能获得最佳强度，您可以使用此在线LED计算器来确定单个LED需要多少电阻。通常最好的做法是使用一个电阻值稍大于计算器返回值的电阻。

您可能会尝试串联LED，但是请记住，每个连续的LED都会导致电压下降，直到最终没有足够的功率来保持它们点亮。因此，理想的是通过并联连接多个LED来点亮它们。但是，在执行此操作之前，必须确保所有LED具有相同的额定功率（不同的颜色通常具有不同的额定值）。

LED会以示意图形式显示为二极管符号，并带有闪电，表明该二极管是发光二极管。

步骤13：开关

甲开关基本上是创建在电路的断开的机械装置。当您激活开关时，它会打开或关闭电路。这取决于它的开关类型。

常开（NO）开关在激活后会闭合电路。

常闭（NC）开关在激活后会断开电路。

随着开关变得越来越复杂，它们在激活时既可以打开一个连接又可以关闭另一个连接。这种类型的开关是单刀双掷开关（SPDT）。

如果要将两个SPDT开关组合为一个开关，则将其称为双刀双掷开关（DPDT）。每当开关被激活时，这将断开两个单独的电路并断开另外两个电路。

步骤14：电池

甲电池是其中将化学能转化为电能的容器。为简化起见，您可以说它“积蓄力量”。

通过串联放置电池，您要增加每个连续电池的电压，但电流保持不变。例如，AA电池为1.5V。如果串联3个，则其总和为4.5V。如果要添加第四个串联，它将变为6V。

通过并联放置电池，电压保持不变，但可用电流增加了一倍。与串联放置电池相比，这样做的频率要低得多，通常仅在电路需要的电流大于单个串联电池可以提供的电流时才需要这样做。

建议您购买一系列AA电池座。例如，我会得到一个分类，该分类可容纳1、2、3、4和8个AA电池。

电池在电路中由一系列不同长度的交替线表示。还有用于电源，接地和额定电压的其他标记。

步骤15：面包板

面包板是用于电子原型设计的特殊板。它们被孔的网格覆盖，孔被分成电连续的行。

在中央部分有两列并排的行。这样设计的目的是使您能够将集成电路插入中心。插入后，集成电路的每个引脚将具有与其连接的一行电连续孔。

这样，您可以快速建立电路，而不必进行任何焊接或绞合。只需将连接在一起的零件连接到电气连续的行之一即可。

在面包板的每个边缘上，通常有两条连续的总线。一个用作电源总线，另一个用作接地总线。通过分别将电源和地线分别插入其中，您可以从面包板上的任何位置轻松访问它们。

步骤16：连线

为了使用面包板将事物连接在一起，您需要使用组件或电线。

电线很不错，因为它们使您可以连接东西而几乎不增加电路电阻。这使您可以灵活地放置零件，因为以后可以使用电线将它们连接在一起。它还允许您将零件连接到其他多个零件。

建议对面包板使用绝缘的22awg（22号）实芯线。您以前可以在Radioshack上找到它，但可以使用上面链接的连接线。红线通常表示电源连接，黑线表示接地。

要在电路中使用导线，只需将导线切成一定尺寸，从导线的两端剥去1/4英寸的绝缘层，然后用它将面包板上的点连接在一起。

步骤17：您的第一个赛道

3更多图像

零件清单： 1K欧姆-1/4瓦电阻5mm红色LEDSPST拨动开关9V电池连接器

如果查看原理图，您会发现1K电阻器，LED和开关都与9V电池串联连接。构建电路时，您将能够通过开关打开和关闭LED。

您可以使用图形电阻计算器查找1K电阻的颜色代码。另外，请记住，LED必须以正确的方式插入（提示-长脚伸到电路的正极）。

我需要将实心线焊接到开关的每个分支上。有关如何执行此操作的说明，请查看“如何焊接”指导。如果您不愿意这样做，只需将开关置于电路之外即可。

如果决定使用该开关，请打开并关闭它，以查看在接通和断开电路时会发生什么。

步骤18：您的第二条路

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零件清单： 2N3904 PNP晶体管2N3906 NPN晶体管47欧姆-1/4瓦电阻1K欧姆-1/4瓦电阻470K欧姆-1/4瓦电阻10uF电解电容器0.01uF陶瓷圆盘电容器5mm红色LED3V AA电池座

可选： 10K欧姆-1/4瓦电阻1M电位器

下一个原理图可能看起来令人生畏，但实际上相当简单。它使用了我们刚刚检查过的所有部件来自动使LED闪烁。

任何通用的NPN或PNP晶体管都可用于电路，但如果您想在家中使用，我正在使用293904（NPN）和2N3906（PNP）晶体管。我通过查找数据表了解了它们的引脚布局。Octopart.com是快速查找数据表的一个很好的来源。只需搜索零件编号，您便会找到零件图片并链接至数据表。

例如，从2N3904晶体管的数据表中，我很快就能看出引脚1是发射极，引脚2是基极，引脚3是集电极。

除晶体管外，所有电阻，电容器和LED都应直接连接。但是，原理图中有一点棘手的地方。注意晶体管附近的半拱形。此拱形表示电容器跨过电池走线，并连接到PNP晶体管的基极。

同样，在构建电路时，请不要忘记电解电容器和LED是极化的，并且只能在一个方向上工作。

完成电路构建并插入电源后，它应闪烁。如果它没有闪烁，请仔细检查所有连接以及所有零件的方向。

快速调试电路的一个技巧是计算原理图中的组件与面包板上的组件的数量。如果它们不匹配，则您遗漏了一些内容。您还可以对连接到电路中特定点的事物数量执行相同的计数技巧。

一旦工作，尝试更改470K电阻器的值。请注意，通过增加该电阻器的值，LED闪烁速度较慢，而通过减小电阻器的值，LED闪烁速度更快。

其原因是电阻器控制着10uF电容器的充放电速率。这与LED的闪烁直接相关。

将该电阻替换为与10K电阻串联的1M电位计。对其进行接线，使电阻的一侧连接到电位计的外部引脚，另一侧连接到PNP晶体管的基极。电位计的中心引脚应接地。现在，当您旋转旋钮并扫过电阻时，闪烁的速率会改变。

步骤19：您的第三条路

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零件清单： 555计时器IC1K欧姆-1/4瓦电阻10K欧姆-1/4瓦电阻1M欧姆-1/4瓦电阻10uF电解电容器0.01uF陶瓷碟片电容器小型扬声器9V电池连接器

最后一个电路使用555计时器芯片通过扬声器产生噪声。

发生的情况是，555芯片上组件和连接的配置导致引脚3在高电平和低电平之间快速振荡。如果要绘制这些振荡的曲线图，它将看起来像一个方波（一个波在两个功率电平之间交替）。然后，该波会迅速向扬声器发出脉冲，从而使空气以很高的频率排出，从而使我们听到该频率的稳定音调。

确保555芯片跨过面包板的中心，以使所有引脚都不会意外连接。除此之外，只需按照示意图中的说明进行连接即可。

还要注意原理图上的“ NC”符号。这代表“无连接”，这显然意味着没有电路连接到该引脚。

你可以阅读所有关于555个芯片在这个页面，看到的另外555个示意图一个伟大的选择这个页面。

在扬声器方面，请使用小型扬声器，就像在音乐贺卡中找到的那样。此配置不能驱动大扬声器，找到的扬声器越小，效果越好。大多数扬声器都是极化的，因此请确保扬声器的负极接地（如果需要）。

如果想更进一步，可以通过将100K电位器的一个外部引脚连接到引脚3，将中间引脚连接到扬声器，并将其余的外部引脚接地，来创建音量旋钮。

第20步：自己完成任务

好吧...您并不完全是一个人。互联网上到处都是知道如何做这些事情并记录了他们的工作的人，以便您也可以学习如何做。出去找出你想做的。如果电路尚不存在，则可能存在已经在线的类似文件的文档。

Discover Circuits网站是开始查找电路原理图的好地方。他们提供了许多有趣的电路供您尝试。

如果您对初学者的基本电子设备有其他建议，请在下面的评论中分享。

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