电流、电压及参考方向

1.电流及其参考方向

（1）电流

水分子的流动形成了水流，而电流则是由电子的运动形成的。电流与水流有很多相似之处。实际上电路中电子所起的作用只不过是运送电荷。电荷或带电质点有规则地定向运动，形成电流（electric current）。我们知道，在金属导体中有大量的带负电荷的自由电子，在常态下，这些自由电子在金属内部作无规则的热运动，不能形成电流。若给导体两端加上电源，即施加电场力，如图1-4所示，在电场力的作用下自由电子逆电场力方向运动而形成电流，更确切地讲，这种电流称为传导电流（conduction cur-rent）。

图1-4 电流的示意图

在物理课中已经学过，电荷的定向移动形成电流（current）。电流的实际方向习惯上指正电荷运动的方向，电流的大小常用电流强度（current intensity）来表示。电流强度指单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流强度习惯上常简称为电流。电流主要分为两类：一类为大小和方向均不随时间改变的电流，称为恒定电流，即直流（direct current），常简写作dc或DC，其强度用符号I表示；另一类为大小和方向都随时间变化的电流，称为变动电流，其强度用符号i表示。其中一个周期内电流的平均值为零的变动电流称为交流（alternating current），常简写作ac或AC，其强度也用符号i表示。

图1-5给出了几种常见电流，图a为直流，图b、图c均为交流。

图1-5 几种电流

对于直流，单位时间内通过导体横截面的电荷量是恒定不变的，其电流为

对于变动电流（含交流），若假设在一很小的时间间隔dt内，通过导体横截面的电荷量为dq，则该瞬间电流为

电流的单位是安培（A），它表示1秒（s）内通过导体横截面的电荷量为1库仑（C）。有时也会用到千安（kA）、毫安（mA）或微安（μA）等，其关系如下：

1kA=1000A=1×10³A，1mA=1×10^-3A，1_μA=1×10^-6A

（2）电流的参考方向

在分析电路时，对复杂电路中某一段电路里电流的实际方向很难立即判断出来，有时电流的实际方向还会不断改变，因此在电路中很难标明电流的实际方向。为分析方便，在这里，我们引入电流的“参考方向（reference direction）”这一概念。

在一段电路或一个电路元件中事先选定一个电流方向作为电流的参考方向。本书中用虚线箭头表示电流的实际方向，用箭头直接标在电路上表示电流的参考方向，也可以用双下标表示，如i_ab表示其参考方向由a指向b。参考方向是任意选定的，而电流的实际方向是客观存在的。因此，所选定的电流参考方向并不一定就是电流的实际方向。当选定电流的参考方向与实际方向一致时，i>0；当选定电流的参考方向与实际方向相反时，i<0。电流的参考方向与实际方向如图1-6所示。

图1-6 电流的参考方向与实际方向

电流的实际方向是客观存在的，它不因其参考方向选择的不同而改变，即存在i_ab=-i_ba。本书中不加特殊说明时，电路中的公式和定律都是建立在参考方向的基础上的。

2.电压及其参考方向

（1）电压

电场中任意两点间的电位之差称为两点间的电压。

电压与水压相似。我们知道水压越大，水流越急，反之水压越小，水流越缓，在同样的外部条件下，电压越高，灯泡就越亮，电压越低，灯泡就越暗。

电压是衡量电场力做功大小的物理量。

电压的单位是伏特，用字母V来表示。常用的单位还有千伏（kV）、毫伏（mV），其关系如下：(www.xing528.com)

1kV1×10³V=1×10⁶mV

（2）电压的方向

电压也有正负，习惯上我们把电压的正方向规定为高电位指向低电位的方向。电压的正负是相对的。可以根据实际电路的需要进行规定。

在电路分析中，为了知道电压、电流的实际方向，常常引入参考方向的概念。电压、电流的参考方向可以任意选取，在电路中用箭头表示。选定的参考方向不一定是电压、电流的实际方向。当参考方向与实际方向相同时，电压、电流为正。当参考方向与实际方向相反时，电压、电流为负。这样在选定的参考方向下，根据电压、电流的正负，可以判断电压、电流的实际方向，在分析电路时先假定电压、电流的参考方向，并以此进行分析，最后根据计算结果的正负来确定电压、电流的实际方向。图1-7所示为电压的参考方向。

图1-7 电压的参考方向

电压的参考方向量值和方向都不随时间变化的直流电压，用大写字母U表示。交流电压，用小写字母u表示。

元器件的电压参考方向与电流参考方向是一致的，称为关联参考方向，如图1-8所示。

3.电位

（1）电位

电位同水位有些相似，一个蓄水池中，水越多，水位越高，水越少，水位越低。电路中也有电位，电场力移动单位正电荷所做的功越多说明正电荷所在点的电位越高，反之越低。

图1-8 电流和电压的 关联参考方向

我们知道带电体的周围存在看不见摸不着的电场，在电场中的电荷会受到电场力的作用，在电场力的作用下电荷会移动，在电路中我们把电场力将单位正电荷从某点移到参考点所做的功称为该点的电位。

电位的单位是伏特（简称伏），用字母V来表示。常用的单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）。其关系如下：

1kV=1×10³V=1×10⁶mV

（2）电位的方向

电场中选择不同的参考点，某点的电位是不同的。为了方便，我们把参考点的电位规定为零，高于参考点的电位为正，反之为负。

实际用电器的金属外壳常被作为参考点。电位的正负就好比是河流的警戒水位，当水位超过警戒水位为正，低于则为负。

在电路中任选一点，叫做参考点，则某点的电位就是由该点到参考点的电压。如果已知a、b两点的电位各为U_a、U_b，则此两点间的电压

U_ab=U_a0+U_0b=U_a0^-Ub0=Ua^-Ub

可见，两点间的电压等于这两点的电位的差。

（3）电压与电位的关系

结论一：参考点改变，各点的电位随之改变，即各点的电位与参考点的选择有关。

结论二：不管参考点如何变化，两点间的电压（电位差）是不变的，即电位差与参考点的选择无关。

电路中，参考点可以任意选定。在电力工程中，常取大地为参考点。因此，凡是外壳接大地的电气设备，其外壳都是零电位；有些不接大地的设备，在分析其工作原理时，常常选用许多元器件汇集的公共点作为零电位点，即参考点，并在电路图中用符号“”表示；接大地则用符号“”表示，以示区别。