电路中的主要物理量简介

电路中的物理量主要包括电流、电压、电位、电动势、功率以及电能.

1.电流

电荷（电子、离子等）在电场力的作用下，有规则的定向移动形成了电流.其数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量，称为电流强度，用符号I或i表示.

当电流的大小和方向都不变时，称为直流电流，简称直流（DC），常用I表示，即

当电流大小、方向随时间作周期性变化时，称为交流电流，简称交流（AC），常用i表示，即

在国际单位制（SI）中，电流的单位是安［培］（A），此外还有千安（k A）、毫安（m A）、微安（μA）.

电流是有方向的，习惯规定电流的实际方向是正电荷定向移动的方向或负电荷运动的反方向.电流的方向是客观存在的.在简单电路情况下，很容易就能判断电流的实际方向，如图1-2（b）电路电流是由电源正极流向负极；在电源内部，电流则由负极流向正极.但在复杂电路中，电流的实际方向有时难以确定；对于交流电而言，其方向随时间而变，在电路图上无法用一个箭头来表示实际方向.为便于分析和计算，便引入电流参考方向的概念.

参考方向也称正方向，是任意假设方向，在电路中用箭头表示.就是在分析和计算电路时，先任意选定某一方向，作为待求电流的方向，并根据此方向进行分析和计算.当电流参考方向与电流实际方向一致时，电流为正值；当电流参考方向与电流实际方向不一致时，电流为负值.这样在选定参考方向下，根据电流的正负，可以确定电流的实际方向，如图1-4表示了电流的参考方向（图中实线所示）与实际方向（图中虚线所示）之间的关系.本书电路图上所标出的电流方向都是指参考方向.

图1-4　电流的参考方向与实际方向

①电路中电流可以用电流表串入电路中进行测量.

②人体能感知的最小电流为交流1 m A左右；人体能摆脱触电状态的最大电流为交流15 m A左右；而50 Hz交流电流在30～50 m A能致人死亡.

图1-5　例1-1图

例1-1　如图1-5所示，电流的参考方向已标出，并已知I1=1.5 A，I2=-3 A，试指出电流的实际方向.

解　I1=1.5 A＞0，则I1的实际方向与参考方向一致，应由点a流向点b.I2=-3 A＜0，则I2的实际方向与参考方向相反，由点a流向点b.

2.电压

在电场力作用下，电荷做定向移动，电场力做功，将电能转换为其他形式的能量，如光能、热能、机械能等.电压是用来描述电场力做功的物理量，电路中两点A、B间的电压等于电场力将单位正电荷由电路A点移动到B点所做的功，即

对于交流电压，则为

电压的单位为伏特（V），此外还常用千伏（k V）、毫伏（m V）、微伏（μV）.

电压的实际方向则由电位能高处指向电位能低处，是电位能降低的方向.

与电流类似，在分析与计算电路时，可任意选定一个电压参考方向，或称为正方向，在电路中可用箭头、双下标或正负极性标出，如图1-6所示.

电压总是针对两点而言的，因此用双下标表示电压的参考方向，由第一个下标指向第二个下标，即由a点指向b点.电压的参考方向也是任意假定的，当参考方向与实际方向相同时，电压值为正；反之，电压值为负.

在分析电路时，任一电路元件的电流和电压参考方向可以任意选定，但是为了分析方便，常选定同一元件的电流参考方向与电压参考方向一致，如图1-7（a）所示，称为关联方向.若同一元件的电压与电流的参考方向不一致，如图1-7（b）所示，称为非关联方向.

图1-6　电压参考方向表示

图1-7　电压与电流参考方向选取

①电路中电压可以用电压表并联在元件两端进行测量.

②人体的安全电压为交流36 V，在特别危险场所为交流12 V.

3.电位

在电路测试中，经常要测量各点的电位，看其是否符合设计数值.电位是表示电路中各点电位能高低的物理量，其在数值上等于电场力将单位正电荷从该点移到参考点所做的功.电位用符号V或φ表示.对照电位与电压的定义，电路中任意一点的电位，就是该点与参考点之间的电压，而电路中任意两点间的电压，则等于这两点电位之差.若测出电路中任意两点的电位Va和Vb，则a、b两点间的电压Uab可以表示为

一般选取电路若干导线连接的公共点或机壳作为参考点，可用符号“⊥”表示.参考点是零电位点，其他各点电位与参考点比较，比参考点高为正电位，比参考点低为负电位.

电位的单位是伏［特］（V）.

①电位具有相对性和单值性.电位的相对性是指电位随参考点选择而异，参考点不同，即使是电路中的同一点，其电位值也不同.电位的单值性是指参考点一经选定，电路中各点的电位即为一确定值.

②电压具有绝对性，与参考点选择无关.即对于不同的参考点，虽然各点的电位不同，但该两点间的电压始终不变，这就是电压的绝对性.

例1-2　如图1-8所示电路中，已知Va=3 V，Vb=2 V，求U1及U2.

图1-8　例1-2图(www.xing528.com)

例1-3　如图1-9所示电路中，已知各元件的电压分别为U1=8 V，U2=6 V，U3=10 V，U4=-24 V.若分别选B点与C点为参考点，试求电路中各点的电位.

解　选B点为参考点，则

VB=0

VA=UAB=-U1=-8 V

VC=UCB=U2=6 V

VD=UDB=-U4-U1=24 V-8 V=16 V

选C点为参考点，则

VC=0

VA=UAC=U4＋U3=-24 V＋10 V=-14 V

VB=UBC=-U2=-6 V

VD=UDC=U3=10 V

可见，电路中同一点电位随参考点选取不同而不同，但两点间电压是不变的.

4.电动势

电动势是非电场力如电磁力、化学力等将单位正电荷从电源负极移到正极所做的功，用E或e表示，即

图1-9　例1-3图

对于交流电动势，则为

电动势的单位也是伏（V）.

电动势的方向规定是电源负极指向正极.电动势与电压的物理意义不同.电压是衡量电场力做功的能力，而电动势是衡量电源力（电磁力、化学力）做功的能力.电动势与电压的实际方向不同，电动势的方向是从低电位指向高电位，即由“-”极指向“＋”极；而电压的方向则从高电位指向低电位，即由“＋”极指向“-”极.此外，电动势只存在于电源的内部.

5.功率及电能

在电路中，正电荷受电场力作用从高电位移动到低电位所减少的电能转换为其他形式的能量，被电路吸收.电能转换的快慢称为电功率，简称功率，用符号P表示，即

在交流电路情况下

功率的单位是瓦［特］（W），较大的单位有千瓦（k W），较小的单位有毫瓦（m W）.

在电路分析中，功率有正负之分：当一个电路元件上消耗的功率为正值时，表明这个元件是负载，是耗能元件；当一个电路元件上消耗的功率为负值时，表明这个元件起电源作用，是供能元件.因此，给出电功率的两种功率计算公式.

当元件的电压、电流选取的参考方向相同时，如图1-7（a）所示时，有

当元件的电压、电流选取的参考方向不一致时，如图1-7（b）所示时，有

无论电压、电流参考方向是关联或非关联参考方向，都有：当计算的功率为正值，则元件吸收（消耗）功率；当计算的功率为负值，则元件发出（产生）功率.

电能是一段时间消耗或产生的电位能量，是电能转化为其他形式的能多少的量度.

国际单位制中电能的单位为焦耳（J）.

在实际应用中，电能的单位常用千瓦·时（k W·h）表示，即功率为1 k W的用电设备在1 h内所消耗的电能，简称1度电，即

1 k W·h=1000 W×3600 s=3.6×106 J

例1-4　如图1-10所示，求图示各元件的功率.

图1-10　例1-4图

解　（a）关联方向，P=UI=5×2 W=10 W，P＞0，吸收10 W功率.

（b）关联方向，P=UI=5×（-2）W=-10 W，P＜0，产生10 W功率.

（c）非关联方向，P=-UI=-5×（-2）=10 W，P＞0，吸收10 W功率.