电路的组成及关键物理参数简介

1.1.1　电路的组成和作用

电路是电流的通路，它是为了实现某种功能，由各种电气设备和器件按一定方式互相连接而成。电源、中间环节和负载是电路的基本组成部分。实际电路种类繁多，按其功能的不同，可以分为两大类：电力电路（或称强电电路）和信号电路（或称弱电电路）。

如图1-1（a）所示是由2个干电池、1个灯泡通过导线和1个开关所构成的手电筒电路。用电路符号表示后，电路如图1-1（b）所示，其中R表示灯泡，E表示电源电动势。

电路的基本作用各有不同，其主要功能包括两个方面：电能的转换、传输与分配和信号的传递与处理，下面举例说明。

1.电能的转换、传输和分配　最典型的例子是电力系统。发电厂的发电机组把水能或热能转换成电能，通过变压器、输电线路传送给各用户，用户又把电能转换成机械能、热能或光能等。发电机称为发电设备；变压器、输电线路称为输电设备；把电能转换成机械能的电动机、转换成光能的电灯、转换成热能的电炉等称为用电设备，也称为负载。发电设备、输电设备、用电设备统称为电工设备。它们都是电路元件。

2.信号的传递与处理　常见的例子很多，如扩音机把较弱的声音信号变成较强的信号。电视机接收各发射台发射的不同信号并进行放大、处理，转换成声音和图像。计算机也是由电路组成的，它能对键盘或其他输入设备输入的信号进行传递、处理，转换成图形或字符，输出在显示器或打印机上。所有这些都是通过电路把施加的输入信号变换成为所需要的输出信号。

在研究电路时，经常遇到“网络”这个名词，通常网络的涵义是从拓扑学观点考察电路。一般在研究复杂的电路问题时，常把电路称为网络。而在研究比较简单或某一具体电路时较多地使用电路这个名词。

1.1.2　电路中的主要物理量

1.电流　电荷的定向运动形成电流。电流的大小用电流强度来衡量。电流强度为单位时间内通过导体任一横截面的电荷量，工程上简称电流。电流不仅表示一种物理现象，而且还是一个物理量，常以字母i或I表示。

若设在Δt时间内通过导体截面的电量为Δq，则电流表示为

若电荷运动的速率是随时间而变化的，此时电流是时间的函数，这种随时间变化的电流叫变动电流。瞬时值表示为

如果此电流随时间的变化是周期性的，则称其为周期电流。若周期电流满足=0；其中T为周期电流的周期，i则称为交流电流，简称交流。

若电流不随时间变化，即在相同的时间间隔内通过的电量相等，这种电流称为恒定电流，简称直流。直流的电流表达式为

在国际单位制中，电流的单位是安培（A），简称安。为了使用方便，常用的单位还有毫安（mA）、微安（μA）、千安（kA）。它们的关系是

lA=10³mA=10⁶μA

1kA=10³A

2.电位与电压

（1）电位：是相对于确定的参考点来说的。电路中某点A的电位是指单位正电荷在电场力作用下，自该点沿任意路径移动到参考点电场力所做的功。A点的电位用V_A表示。

电位来说，参考点是至关重要的。第一，电位是相对的物理量，不确定参考点，讨论电位就没有意义。第二，在同一电路中当选定不同的参考点时，同一点的电位值是不同的。在分析电路时，电位的参考点只能选取一个。参考点选定后，各点的电位值就确定了，这就是所谓的“电位单值性”。在电工学中，如果所研究的电路里有接地点，通常选择接地点作为电位的参考点，用符号“⊥”表示。在电子线路中常取若干导线交汇点或机壳作为电位的参考点，并用符号“⊥”表示。

（2）电压：电路中两点之间的电位差称为这两点间的电压，用符号u或U表示。例如，电路中A、B两点之间的电压可写成(www.xing528.com)

U_AB=V_A-V_B

在国际单位制中，电压的单位是伏特（V），简称伏。为了使用上的方便，常用的单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）。它们的关系是

1kV=10³V

1V=10³mV=10⁶μV

3.电动势　是指单位正电荷在电场力作用下，自低电位端经电源内部移到高电位端电场力所做的功。其电源可以是化学作用而产生的，也可以是电磁感应作用而产生的，例如电池和发电机。电动势用符号e或E表示，其单位也是伏特（V）。

4.功率　在电路的分析与计算中，还经常用到另外一个物理量——功率。功率是指单位时间内电场力所做的功，用p或P表示。

当电压的单位是伏特，电流的单位是安培时，功率的单位是瓦特（W），简称瓦。除瓦之外，还有千瓦（kW）或毫瓦（mW）。它们之间的关系如下：

1kW=10³W=10⁶mW

1.1.3　电压、电流的参考方向

在分析和解决较为复杂的电路问题时，比如多电源电路，各元件上电流、电压的实际方向在分析和计算之前很难确定。为此，可以假定一个参考方向。

1.电流的参考方向　习惯上规定正电荷运动的方向为电流的方向。在简单的单电源电路中，电路中电流的正方向是可以按照上述规定判断出来的。而在复杂得多电源电路中，某些元件上电流的真实方向往往事先无法判明。特别是对于交流电路，由于电流的方向随时间交替变化，某一瞬时电流的真实方向更无法判明。为此，在分析计算电路问题时，必须先假定某一元件电流的方向作为参考方向（正方向）。

电流的参考方向一般用箭头表示，如图1-2所示。显然，I₁=-I₂。

电流的参考方向实际上是研究电路的参照系，可以任意假定。当电流的参考方向确定后，如果计算出的电流为正值，说明电流的实际方向与参考方向一致；若计算出的电流为负值，则说明电流的实际方向与参考方向相反。因而，电流是一个代数量，绝对值代表电流的大小，符号表示电流的方向。在没有假定参考方向以前，分析电流的正负是毫无意义的。

2.电压的参考方向　电路中两点之间电压的方向是从高电位端指向低电位端的方向，即电位降的方向。在分析复杂电路问题时，我们也可以假定电压的参考方向。和电流一样，电压的参考方向是任意假定的。一般电压的参考方向用正（+）、负（-）极性符号表示；有时还用双下标形式表示，如图1-3所示。

图1-3所示的两种表示方法都是指：由假定的高电压端（a端）指向低电位端（b端）。当电压的参考方向确定后，分析或计算出的电压若为正值，说明电压的实际方向与参考方向相同；若为负值，说明电压的实际方向和参考方向相反。因此，电压也是代数量。

3.电动势的参考方向　电动势的方向是在电源内部电位升高的方向，即从低电位指向高电位的方向，刚好与电压的方向相反。也就是说，对于同一电源，如果按其真实方向表示出电压、电动势的方向，则此时的电压、电动势均为正值。它们反映的是同一客观事实：电源正极电位高于电源负极电位。

作为分析与计算电路的一种方法，同样也可以为电动势假定一个参考方向。因此，它和电压、电流一样也是代数量，参考方向的表示方法也相同。

4.电压、电流的关联参考方向　从原则上讲，电压、电流的参考方向都是可以任意假定的。但对于电阻元件来说，电压和电流的实际方向总有一固定关系，即电压是从高电位端指向低电位端；电流是从高电位端流入，从低电位端流出。因此，为了分析、计算的方便，一般情况下，负载元件选取电压的参考方向与电流的参考方向一致，这就是电压、电流的关联参考方向。而电源的电流、电压参考方向常选取不关联的。

元件只有在关联参考方向时，欧姆定律才能表示为I=U/R或U=IR；一段电路上的功率才能表示为P=UI。当用上述公式计算的功率为正值时，表明该电路是吸收（消耗）电功率的，即将电功率转换为非电功率；反之，该电路是发出（产生）电功率的，即将非电功率转换为电功率。