1.1 电路及其基本物理量

学习目标

1.了解电路的组成及各部分的作用，了解电路模型、电路图的基本知识。

2.理解电流、电压、电动势的基本概念（物理意义、定义、单位、方向），掌握参考方向的含义、表示方法及其在电路分析时的应用，了解电流、电压、电动势的基本类型。

3.理解电位的概念及其单位。

内容提要

一、电路、电路模型、电路图

1.电路

电路（electric circuit，简称circuit）是指各种器件按一定方式连接而成的总体，它提供了电流通过的路径。

电路通常由电源（electric source）、负载（load）、控制器件和连接导线四部分组成。电源将非电能转换为电能（为电路的工作提供电能）；负载将电能转换成非电能（利用能量的转换实现一定功能：电灯将电能转换为光能；电饭煲将电能转化为热能；电动机将电能转化为机械能……）；控制器件是用于控制电路的接通与断开；导线将上述各部分连接起来，提供电流的通路。

2.电路模型与电路图

电路模型（circuit model）是实际电路结构及功能的抽象化表示，是用来描述实际器件主要工作性质的各种理想元件（element）的组合。电路分析的对象正是电路模型。

将各种理想元件用规定的符号（图形符号与文字符号）表示，从而得到的关于电路模型的图样，称为电路图（circuit diagram）。

二、电流

1.电流的定义及其形成条件

电路中的电荷沿着导体有规律运动即形成电流（electric current）。显然，要想形成持续的电流，一方面要有能够自由移动的电荷（形成电流的内因），另一方面也要有电场的作用（形成电流的外因）。

单位时间内通过导体横截面的电荷量，称为电流，其定义式如下

电流的SI制单位为安培（A）。此外，大电流常用千安（kA）作单位，小电流常用毫安（mA）、微安（μA）作单位。

1kA=1×103A 1mA=1×10-3A 1μA=1×10-6A

2.电流的方向

电流不但有大小，还有方向的概念，且规定正电荷的移动方向为电流的方向。实际电路中，电流的方向往往很难判断，有时电流的方向还随时间交替变化。为此，引入参考方向（reference direction）的概念。

在电路分析和计算时，通常先设定一个电流的方向，谓之参考方向，然后运用电路理论求解该电流I，最后根据电流数值的正、负来判断电流的实际方向：①当I＞0时表明电流的实际方向与所设定的参考方向一致（故有些教材又将参考方向称为正方向）；②当I＜0时，则表明电流的实际方向与所设定的参考方向相反。

电流参考方向的表示方法主要有两种：箭头与双下标。如图1-1-1所示为箭头表示法，若用双下标表示，可对应表示为Imn。

3.电流的种类

实际电路中的电流通常有两类：直流电流（direct current，简记DC）与交流电流（alternating current，简记AC）。直流电流通常是指大小、方向均不随时间而变的电流；交流电流通常是指大小、方向随时间交替变化的电流。

图1-1-2所示为直流电流的i-t曲线（通常称为波形）。图1-1-3所示为最常见的一种交流电流——正弦交流电流的波形，电工技术中，若无特殊说明，交流电流就特指正弦交流电流。

三、电压

1.电压的物理意义及其定义

电压（voltage，用符号U表示）是一种用来描述电场力做功本领强弱的物理量。电路中a、b两点间的电压Uab是指在电场力作用下，单位正电荷从a点移到b点电场力所做的功。电压的定义式如下

电压的SI制单位为伏特（V）。此外，大电压常用千伏（kV）作单位，小电压常用毫伏（mV）、微伏（μV）作单位。

1kV=1×103V 1mV=1×10-3V 1μV=1×10-6V

2.电压的方向

电压不仅有大小，也有方向的概念，且规定正电荷在电场力作用下的移动方向为电压方向（也就是由高电位指向低电位）。

电压也存在参考方向这一重要概念，且含义及应用与电流参考方向一样。电压参考方向的表示方法主要有三种：箭头、极性及双下标。如图1-1-4（a）、（b）所示的两种表示法含义相同，若采用双下标表示，则对应表示为Umn。

关于电流、电压参考方向的几点说明：

（1）进行电路分析时，对于一个元件，既要对流过元件的电流选取参考方向，又要对元件两端的电压选择参考方向。如果选择电流的参考方向与电压的参考方向一致，我们就称之为关联参考方向，如图1-1-5所示；如果选择电流的参考方向与电压的参考方向不一致，我们则称之为非关联参考方向，如图1-1-6所示。电路分析时，一般采用关联参考方向。电路中的许多公式，也只有在关联参考方向的前提下才成立，这一点需要注意。

（2）电流、电压的参考方向一经选定，在电路的分析和计算的过程中便不能改变了。

（3）电流、电压的参考方向在实际电路中也得到了广泛的应用。如用于直流测量的电流表与电压表，与被测电路的连接端钮有正、负极之分，这里的正、负极就是一种参考极性：当测量时的指针向正刻度方向偏转时，说明实际方向与参考方向一致，测量数据取正值；反之，指针向负刻度方向偏转时，说明实际方向与参考方向相反，测量数据取负值。

3.电压的种类

与电流一样，常见的电压分为直流电压与交流电压两种。

四、电位

在电工技术中，通常使用电压概念，而在电子线路中，通常要用到的是电位（potential，用符号V表示）的概念。

电压和电位是密切联系的，在电路中选定一点O为电位参考点（规定VO=0），电路中另一点A到参考点O的电压UAO就称为A点的电位，记作VA。即

VA=UAO（O为电位参考点，或称零电位点）

由电位的定义知，电位实际上就是电压。不过，电路中各点的电位值是相对的，与参考点的选择有关，选择不同的参考点，电路中各点电位的大小和正、负也就不同，即电位具有多值性；但电路中任意两点之间的电压（电位差）是唯一的，与参考点、路径的选择无关，即电压具有单值性。

五、电动势

1.电动势的物理意义及其定义

电动势（electromotive force，用符号E表示）是一种用来描述电源内部非电场力做功本领强弱的物理量，其大小等于非电场力移动单位正电荷从电源负极到正极所做的功。与电压相同，电动势的SI制单位为伏特（V）。电动势的定义式如下

说明：电动势是电源的重要特性参数。通常认为，电源的电动势仅由自身决定，与所接的负载无关。

2.电动势的方向

电动势的实际方向由电源的负极指向正极，即与电源端电压的方向相反。

与电流、电压一样，电动势同样存在参考方向的概念，其表示方法与电压相同，有箭头表示法、极性表示法和双下标表示法三种。如图1-1-7（a）、（b）所示的两种表示法含义相同，若采用双下标表示，则对应表示为Emn。

3.电动势的种类

电池产生大小、方向均不随时间而变的恒定直流电动势；直流发电机产生方向不变、但大小变化的脉动直流电动势；交流发电机产生正弦交流电动势。

关于电流、电压、电动势因果关系的说明：

（1）一个电路的工作，首先是由于电源电动势的存在，使得电荷在电源两极积累而产生电压，负载在电压作用下，自由电荷移动而形成电流。

（2）一个电路属于直流电路还是交流电路，取决于电源电动势的类型。

例题解析

【例1-1-1】电路如图1-1-8所示，若分别以A、B、C为参考点，试求A、B、C各点的电位。

【要点解析】电路中的A点的电位，是指A点到参考点（O）的电压，即VA=UAO，电位的一般求解方法在下一章中会重点讨论。这里需留意的是：电位具有多值性（随参考点的选择不同而变）；电压具有单一性（与参考点的选择无关）。

【解】（1）以A为参考点，如图1-1-9所示，则VA=0

VB=UBA=-（-8）=8V

VC=UCA=-4V

（2）以B为参考点，如图1-1-10所示，则VB=0

VA=UAB=-8VVC=UCB=-（-2）=2V

（3）以C为参考点，如图1-1-11所示，则VC=0

VA=UAC=4V

VB=UBC=-2V

巩固练习

一、单项选择题

1.下列设备中，（ ）一定是电源。

A.发电机 B.蓄电池 C.电视机 D.电炉

2.下列各电压中，最高的是（ ）。

A.380V B.220V C.-36V D.-110kV

二、判断题

3.某部件两端加上电压，一定会有电流的形成。（ ）

4.电流的参考方向可能是电流的实际方向，也可能与实际方向相反。（ ）

5.用直流电压表测量时，若指针反向偏转，则说明电压表的负极电位高于正极。（ ）

6.电路中某一点的电位具有相对性，只有当参考点确定后，该点的电位值才能确定。（ ）

7.电路中两点间的电压具有相对性，当参考点变化时，两点间的电压也将随之发生变化。（ ）

8.如果电路中某两点的电位都很高，则该两点间的电压也很大。（ ）

9.电源电动势的大小不仅与电源本身有关，还与外电路无关。（ ）

10.电源的电动势与端电压方向相反。（ ）

三、填空题

11.电路分析的对象是由________元件构成的________。

12.电路是指的通路，电路主要由________、________、________和________等部分组成。电路中提供电能的设备称为________，用电设备称为________，________是用来控制电路的通断，保证电路正常工作的。

13.电荷的________移动就形成了电流。若1min内通过某一导线截面的电荷量是6C，则通过该导线的电流是________A，合________mA，合________μA。

14.将2C的负电荷由a点移动到b点，电场力做了3J的功，则电压Uab=________。

15.某电源如图1-1-12所示，其电动势的波形如图1-1-13，则该电动势为________（选填：直流/交流）电动势。0＜t＜1s时，电动势的方向由________端到________端，电压方向由________端到________端，电位高的是________端；1s＜t＜2s时，电动势的方向由________端到________端，电压方向由________端到________端，电位高的是________端。

四、简答题

16.用方框代表电路元件，如图1-1-14所示。试判断并说明各元件上电压、电流的实际方向。

五、计算题

17.某5V理想电压源如图1-1-15所示。（1）说明该电源的电压方向，并确定电压U、Uab和Uba；（2）说明该电源的电动势方向，并确定电动势E、Eab和Eba；（3）对比Uab与Eab、Uba与Eba的数值关系，可得到什么结论？（4）对比U与E、Uab与Eba、Uba与Eab的数值关系，可得到什么结论？