电路基础知识：电流、电压、电动势和电能转换

一、电流和电阻

(一)电流

导体中的自由电子,在电场力的作用下作有规则的定向运动就形成了电流。单位时间内通过导体某一截面的电荷量称为电流强度(简称电流),用符合I表示,计算式为

式中 Q——通过导线某一截面的电荷量,C;

t——通过电荷量Q所用的时间,s。

电流的单位是安培(A),1A=1C/1s。还有毫安(mA)或微安(μA)。

1A=1000mA=1000000μA

电流的方向规定为正电荷运动的方向。

(二)电阻

电流通过导电体时所受到的阻力称为电阻。金属导体的电阻与它的几何尺寸、材料有关,可用下式表示

式中 R——导体的电阻,Ω;

L——导体的长度,m;

S——导体的截面积,mm2;

ρ——导体的电阻率,指在一定的温度下,长为1m,截面积为1mm2的导体所具有的电阻,Ω·mm2/m。

电阻的单位还有兆欧(MΩ)、千欧(kΩ)、毫欧(mΩ)、微欧(μΩ)。

常用导电材料的电阻率,见表1-1。

表1-1　常用导电材料的电阻率

【例1-1】 求1km长,截面为25mm2的铝导线在20℃时的电阻。

解:　

二、电压、电位、电动势

(一)电压

电场力把单位正电荷由高电位点移到低电位点所做的功称为这两点间的电压,用U表示。当电荷量为Q,所做的功为W时,则电压为

式中 W——正电荷Q由高电位点移到低电位点时所做的功,J;

Q——正电荷量,C。

电压的电位为伏特(V),还有千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(μA)。

电压的正方向规定为由高电位点指向低电位点,即电位降的方向。(www.xing528.com)

(二)电位

如果在电路中选定一个参考点(即零电位点),则电路中某一点与参考点之间的电压即为该点的电位。电位的单位也是伏特(V),电位通常用U或φ表示。电场中某两点之间的电位差等于这两点间的电压。

(三)电动势

电源将单位正电荷由负极移到正极所做的功称为电动势,用E表示

式中 W——正电荷Q由负极移到正极时所做的功,J;

Q——正电荷量,C;

E——电动势,V。

电动势的方向由负极指向正极,即电位上升的方向。

三、电功率和电能

(一)电功率

单位时间内产生或消耗的电能称为电功率(简称功率)。它表明了电能与非电能相互转换速率的大小。负荷消耗的电功率等于负荷两端的电压与通过负荷的电流的乘积,常用P表示

式中 P——电功率,W;

U——负荷端电压,V;

I——负荷电流,A。

同理,电源产生的电功率等于电动势与电流的乘积。

(二)电能

电流在一段时间内所做的功称为电能。电能的大小不仅与电功率的大小有关,还与做功的时间长短有关。其表达式为

式中 P——电功率;

t——时间,h;

W——电能,W·h或kW·h。

【例1-2】 已知一个额定电压为220V的灯泡接在220V电源上,通过灯泡的电流为0.454A,问5h内该灯泡所消耗的电能为多少?

解:灯泡的功率　P=UI=220×0.454≈100(W)=0.1(kW)

5h内灯泡消耗的电能　W=Pt=0.1×5=0.5(kW·h)

(三)电流的热效应

电流通过电阻时要发热,其发热量同电流的平方、回路中的电阻及通过电流的时间成正比,即

式(1-7)表明了电能转换为热能的关系,称为焦耳-楞次定律。