1.1.2 电路的基本物理量

1.电流

在电场的作用下，带电粒子在导体中有规则的定向移动就形成了电流。金属中的自由电子及电解液中的正、负离子均称为带电粒子。因此，电流既可以是负电荷的定向移动，也可以是正电荷的定向移动，或二者兼有的定向移动。表征电流强弱的物理量叫电流强度，简称电流，在数值上等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。设在dt时间内通过导体横截面的电荷为dq，则通过该截面的电流为

在一般情况下电流是随时间而变化的，如果电流的大小和方向不随时间的变化而变化，即dq/dt=常量，则这种电流就称为恒定的直流电流，简称直流电，用大写字母I表示，它所通过的路径就是直流电路。在直流电路中，式（1-1）可写成

式中，I为电流，单位为A（安培）；Q为电荷量，单位为C（库仑）；T为时间，单位为s（秒）。如果电荷量为1C，时间为1s，则电流为1A。

我国法定计量单位是以国际单位制（SI）为基础的。它规定电流的单位是A，1A=1C/1s。除A外，常用的电流单位还有kA（千安）、mA（毫安）和μA（微安）。它们之间的换算关系为

电流既然是带电粒子的定向移动，就有一个移动方向问题。习惯上规定正电荷移动的方向为电流的实际方向。实际上，在电路分析中，电流的实际方向有时是很难确定的，因此很难在电路中标明电流的实际方向。为了分析计算方便，引入了电流“参考方向”的概念。在电路分析计算前，可以预先假定一个电流方向，这个假定的方向称为电流的参考方向，在电路中一般用箭头表示，也可用双下标表示，如I_AB，表示其参考方向是由A指向B的。当然，所选的电流参考方向并不一定就是电流的实际方向。一般通过计算来确定，若电流计算值为正（即I>0），则电流的参考方向与它的实际方向相同；反之，若电流的计算值为负（即I<0），则电流的参考方向与它的实际方向相反，电流参考方向与实际方向的关系如图1-4所示。在指定的电流参考方向下，电流值的正和负，就可以反映出电流的实际方向。因此，在参考方向选定之后，电流值才有正负之分，在未选定参考方向之前，电流的正负值是毫无意义的。

2.电压、电位、电动势

（1）电压

带电粒子能够在电路中定向移动，是因为受到电场力的作用。在如图1-5所示电源的两个极板a和b上分别带有正、负电荷，这两个极板间就存在一个电场，其方向是由a指向b。当用导线和负载（白炽灯）将电源的正负极连接成为一个闭合电路时，正电荷在电场力的作用下由正极a经导线和负载流向负极b（实际上是自由电子由负极经负载流向正极），从而形成电流使白炽灯发光。由于白炽灯发光，电流对负载做功。电场力将正电荷从a极板移动到b极板做功能力的大小，用a、b两极板间的电压来衡量。

定义：电场力将正电荷从正极板a移动至负极板b所做的功W_ab，其与被移动的正电荷电荷量Q之比，称为a、b两极板间的电压，用U_ab表示，即

当电荷的单位为C（库仑），功的单位为J（焦耳）时，电压的单位为伏特，简称伏，用符号V表示，即1V=1J/1C。在工程上，常用的电压单位还有kV（千伏）、mV（毫伏）和μV（微伏），它们之间的换算关系是

电压的实际方向定义为正电荷在电场中受电场力作用（电场力作正功时）移动的方向。电压的实际方向规定由高电位指向低电位。与电流一样，电压也有自己的参考方向。电压的参考方向也是任意指定的。在电路中，电压的参考方向可以用一个箭头来表示；也可以用正（+）、负（-）极性来表示，正极指向负极的方向就是电压的参考方向；还可以用双下标表示，如U_AB表示A和B之间的电压的参考方向由A指向B（图1-6）。同样，在指定的电压参考方向下计算出的电压值的正和负，就可以反映出电压的实际方向。

“参考方向”在电路分析中起着十分重要的作用。

对一段电路或一个元件上电压的参考方向和电流的参考方向可以独立地加以任意指定。如果指定电流从电压“+”极性的一端流入，并从标以“-”极性的另一端流出，即电流的参考方向与电压的参考方向一致，则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向，反之称为非关联参考方向，如图1-7所示。

（2）电位

在电路中任选一点作为电位的零参考点，则电路中任意一点到零参考点之间的电压，叫作该点的电位，用字母V表示，单位为V。零参考点在电路图中用符号“”表示，如图1-8所示，A点电位记作V_A。

如果选择O点为参考点时，则

由式（1-4）可见，A、O两点之间的电压U_AO，就是A、O两点之间的电位差，即

所以，两点之间的电压就是这两点之间的电位之差，电压的实际方向是由高电位点指向低电位点。

注意：在电路中参考点可任意选取，但只能选取一个，且参考点一经选定，不能随意更改。电路中各点的电位值与参考点的选择有关，所选的参考点改变，各点的电位值将随之改变，但是电路中任意两点之间的电压却不随参考点变化。习惯上认为参考点自身的电位为零，所以参考点也叫零电位点。

（3）电动势

在图1-5中，要维持a、b两极板间的电荷持续流动，就必须维持两极板间的电压。要维持两极板间的恒定电压，则必须要有一个外力将b极板上中和掉的正电荷向a极板搬运，该外力称为电源力。电源力逆电场力方向搬运电荷，因此电源力对电荷做功。衡量电源力对电荷做功大小的物理量称为电动势。在数值上，电动势等于电源力将单位正电荷从负极板b移动到正极板a所做的功W_ba，数学表达式为

电动势的单位也是V，常用的还有kV、mV、μV。电动势的实际方向规定由低电位指向高电位。

3.电能、电功率

（1）电能

电能是指在一定的时间内电路元件或设备吸收或提供的能量，是由电流对负载做功引起的，用字母W表示，其国际单位制为焦耳（J）。电能的大小与电路两端的电压、通过的电流及通电时间成正比，即

式中，W为电路所消耗的电能，单位为J（焦耳）；U为电路两端的电压，单位为V；I为通过电路的电流，单位为A；t为所用的时间，单位为s。

在实际应用中，电能的另一个常用单位是kW·h（千瓦时），1kW·h就是常说的1度电。

（2）电功率

电功率表征电路元件或一段电路中能量变换的速度，其值等于单位时间内元件所消耗的电能，简称功率，用P表示。

当电路为纯电阻时，根据欧姆定律U=IR，功率还可以表示为

电功率的基本单位为瓦特，简称瓦，符号为W，常用的电功率单位还有kW（千瓦）、mW（毫瓦），它们之间的换算关系为

在电压和电流为关联参考方向下，电功率P可用（1-9）式求得；在电压和电流为非关联参考方向下电功率P为

若计算得出P>0，表示该部分电路吸收或消耗功率；若计算得出P<0，表示该部分电路发出或提供功率；P=0表示该部分电路是储能的。

【例1-1】一空调器正常工作时的功率为1214W，设其每天工作4h，若每月按30天计算，试问一个月该空调器耗电多少千瓦时？若每千瓦时电费0.80元，那么使用该空调器一个月应缴电费多少元？

解：空调器正常工作时的功率为1214W=1.214kW。

一个月该空调器耗电为

使用该空调器一个月应缴电费为