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要形成电流，首先要有能够自由移动的电荷——自由电荷。电荷有两种，电路中有电流时，发生定向移动的电荷可能是正电荷，也可能是负电荷，还有可能是正负电荷同时向相反方向发生定向移动。例如，金属导体中自由电子的定向移动，电解液中正负离子沿着相反方向的移动，阴极射线管中的电子流等，都形成电流。
生活中我们深有体会，当冬天暖气热起来的时候，我们不用直接接触它便会感觉到它的热量。这是因为暖气（相当于热源）周围存在着热场，这热场看不见也摸不到，但它是客观存在的。同样，电荷周围存在电场，即任何电荷都能在其周围的空间激发电场。大量实验表明，电荷周围的电场是一种特殊物质，由它充当媒介传递着电荷间的相互作用。这种相互作用是通过作用力体现的，被称为电场力。因此，我们可以这样说，电场中总有电场力作用于处在其中的电荷。反映这种电场力强弱的物理量则被称为电场强度。实验表明，电场强度的大小相当于单位正电荷所受电场力的大小。
电荷的定向移动形成电流。但是只有自由电荷还不能够形成电流。例如，金属导体中有大量的自由电荷，当金属导体中的电场强度为零时，这些自由电荷相似于气体分子，它们不断地作杂乱无章的热运动，朝任何方向运动的几率均相同。在这种情况下，对导体的任何一个截面来说，在任何一段时间内从截面两侧穿过截面的自由电荷数都相等，从宏观上看，没有电荷的定向移动，因而也不能形成电流。但是若把导体放进电场强度不等于零的电场内，导体中的自由电荷除了作杂乱无章的热运动之外，还要在电场力的作用下作定向移动，形成一个与电场方向相反的有规律的宏观定向运动。这些自由电荷运动的平均效果，便是在导体中形成电流。但由于很快就达到静电平衡状态，这种电流将消失，导体内部的场强变为零，整块导体成为等位体。可见要得到持续的电流，就必须设法使得导体两端保持一定的压力（外界因素），才能持续不断地推动自由电荷作定向移动。因此导体中形成电流的条件为：导体内部存在自由电荷（内在因素），并且导体两端存在能够使自由电荷移动的压力。这就如同在充满水的管道中，如果不在管道两端加有压力（俗称水压），水就不能从管道内流出，也就不能形成源源不断的水流。
电流既是一种物理现象，又是一个表示带电粒子定向运动强弱的物理量。电流的大小等于在一定时间内通过导体横截面的电荷量的多少。如果在时间 t 内通过导体横截面的电荷量为 q ，则电流的大小为：
在国际单位制（SI）中，电流的单位是A（安培，简称安）。如果在1s（秒）内通过导体横截面的电荷量是1C（库仑，简称库），则规定导体中的电流为1A。常用的电流单位还有mA（毫安）、μA（微安）等。
1mA=10 -3 A 1μA=10 -6 A
电流不仅有大小，还有方向。习惯上规定正电荷定向移动的方向为电流方向，负电荷定向移动的方向为电流的反方向。这个规定是在19世纪初，在物理学家们刚刚开始研究电流时就已经做出的。而在后来的研究中发现，这样的规定并不影响研究电流的有关问题，并且在酸、碱、盐的溶液中就有正电荷的定向移动，因此这个规定一直沿用至今。按照这个规定，在电源外部，电流方向是从电源的正极流向负极。而在金属导体内电流方向与自由电子的移动方向相反，在电解液中电流方向就是内部正离子移动的方向，负离子移动的方向是电流的反方向。电流方向只表明电荷定向运动的方向，电流仍然属于标量。
电流方向和强弱都不随时间而改变的电流叫作直流电，用大写字母 I 表示，见图1-3（a）。而电流方向和强弱都随时间作周期性变化的电流叫作交流电，用小写字母 I 表示，见图1-3（b）。电流方向不变而其大小或强弱随时间变化的电流叫作脉动直流电，见图1-3（c），这种脉动直流中含有交流成分，因此也用 I 表示。
图1-3 三种常见电流波形图
值得注意的是，在以后分析复杂电路时，有很多情况是事先无法知道电路中电流的实际方向的。为了便于分析和计算，可事先任意假定一个电流方向，称其为参考方向或正方向（为了简化表达，以后只称参考方向而非正方向），并在电路中用箭头标明，如图1-4所示。
图1-4 电路中导线上电流参考方向的箭头标注
如果通过电路计算后， I ＞0，则说明实际上电流从a流向b。若 I ＜0，则说明实际上电流从b流向a。显然，参考方向的规定对于电路中电流的分析与计算是非常重要而方便的。或者说如果不规定电流的参考方向，对电路则无从分析和计算，即便是分析出电流的正负数值也是没有任何意义的。
［例1-1］ 在某电路中的导线，10s时间内通过其横截面的电荷量为60C，其电流为多少？
解：由式1-1可知，通过导线的电流为
顾名思义，推动自由电荷定向移动的压力称为电压。显然电压是电流产生的先决条件，没有电压不可能形成电流。
电压的大小是用电场中的电场力移动单位正电荷做功来定义的，在电场中，当电场力把正电荷 q 从a点移动到b点所做的功为 W a b 时，a、b两点的电压为
值得注意的是， W a b 可以为正值，也可以为负值，其详细解释请参见例1-2。在国际单位制（SI）中，若功的单位为J（焦耳）、电荷量的单位为C（库仑），则电压的单位为伏特，简称伏，符号为V。除伏特外，常用的电压单位有mV（毫伏）、μV（微伏）等。它们的换算关系如下：
1mV=10 -3 V 1μV=10 -6 V
电压的方向（电压降的方向）是电场力移动正电荷的方向，当电场力把正电荷从a点移动到b点时，电压的方向就是从a指向b，由于正电荷运动的方向也是电流的方向，所以我们规定，电压的方向与电流的方向取向一致。
电压的方向最直接的表示是用箭头或者直接标上“+”或者“-”极性，也可以在符号U上加上小写的双下标，即用 U a b 来表示。显然， U a b =- U ba 。
除了经常应用“电压”这一物理量之外，还经常应用“电位”这一物理量。电位是从能量的角度去描绘电场的物理量。电路中每一点都有一定的电位，就如同空间每一处都有一定的高度一样。物体处于不同的高度，具有不同的位能，或称势能。相对高度越高，势能也就越大。水总是从高水位流向低水位，而水位越高的地方位能也就越大。先要确定一个计算高度的起点，例如，工厂的烟囱有40m高，这个高度是从地平面算起的，地平面为零高度，也称为参考高度。电也是如此，在电路分析中，计算电位也要先制定一个计算电位的起点，叫作零电位点或称为参考点。
原则上零电位点可以任意选定，但习惯上，常规定大地的电位为零。之所以选择大地为参考电位，是因为大地容纳电荷的能力非常大，起点比较稳定，不受局部电荷变化的影响（有时也会选择无穷远处为零点作为参考点）。有些设备的机壳是需要接地的，这时凡与机壳连接的各点均为零电位。有些设备的机壳虽然不一定真的和大地连接，但有很多元件都要汇集到一个公共点，为了方便起见，可规定这一公共点为零电位。在工业生产上，任何电气设备正常工作时，不该带电的金属部分都需要接地，使它们的电位与大地的电位均为零，以保证人身安全。综上所述，零电位点或参考点、公共点和接地点均用同一符号“⊥”表示。见图1-5中的B点。
图1-5 简单电路及其参考点
电路中零电位的点规定以后，电路中任一点与零电位点之间的电压（电位差），就是该点的电位。这样，电路中各点的电位就有了确定的数值。例如，A、B点的电位定义为电场力将单位正电荷从A点移到B点所做的功。当各点电位已知以后，就能求出任意两点间的电压。因为在电路中，任意两点之间的电压就是电路中这两点之间的电位差。例如在图1-5所示的电路中，用 V A 、 V B 代表A、B两点的电位， U a b 代表A到B的电压，那么
U a b = V A - V B
由于已经选定B点为参考点，因此B点的电位为零电位，即 V B =0V。若图1-5中电源为2V，则A、B两点之间的电位差就是2V， U a b = V A - V B =2V，即A点电位 V A 比B点电位 V B 高出2V。由于图1-5中A点与D点以及B点与C点是用导线直接相连接，因此它们是等电位的，即 V A = V D =2V， V C = V B =0V。那么，图1-5中可不可以选择A点作为参考点呢？答案是肯定的。若选择A点为参考点，则A点电位 V A =0V，而B点电位 V B =-2V。这样A、B两点之间的电位差还是2V，只是其方向相反而已，即 U ba = V B - V A =-2V。显然，一个电路中，参考点选择不同，电路中各点的电位也会因此而不同。这样，我们就可以得出结论：电路中各点的电位是相对的，这是因为参考点的选择不同而造成的，但是参考点一旦选定，电路中各点的电位也将是唯一确定的值。我们规定，一个电路只能选择一个参考点。参考点一经选定，就不能再选择别的点作为参考点。习惯上，若电路中只有一个电源，则应选择该电源的负极作为参考点，如图1-5中的B点，这样在实际运算中，可以减少电位或电压的负值出现。比如在图1-5中，由于选择电源正极A作为参考点，就有-2V负值的出现。而无论参考点选在哪里，电位差则总是固定不变的。也就是说，在一个电路中某点的电位是相对的，而两点间的电位差是绝对的，不会因为参考点的选择不同而改变。
［例1-2］ 某电场中有a、b、c三点，电荷的电荷量 q 为0.1库仑。若把 q 从a点移动到b点，电场力做功为0.6焦耳。再把 q 从b点移动到c点，电场力做功为0.8焦耳。求：
（1）若以b点为参考点，求a、b、c三点的电位。
（2）若以c点为参考点，再求a、b、c三点的电位。
（3）求上述两种情况下a、b点之间的电压。
解：（1）由式1-2可知，
由于b点为参考点，则 V b =0
电荷
q
从a点移动到b点做正功，
W
a b
为正值，所以
电荷
q
从b点移动到c点做负功，
W
bc
为负值，所以
（2）c点为参考点， V c =0 ，
电荷 q 从a点移动到b点，再从b点移动到c点，均做正功，
所以
（3）第一种情况下，a、b两点之间的电压为： U a b =V a -V b =6-0=6V
第二种情况下，a、b两点之间的电压为： U a b =V a -V b =14-8=6V
通过上述计算再一次证明，电路中某点的电位大小与参考点选择有关，而电压大小与参考点选择无关。
电动势是衡量电源内部将非电能转换成电能的本领的物理量。我们把具有将其他形式的能量转变成电能的装置称为电源。如干电池、蓄电池都是常用的电源，它们的共同特点是将非电能（机械能、化学能）转变成电能。电源的正、负两极间存在电压，不同的电源，两极间电压的大小是不同的。不接用电器时，电源两极间电压的大小是由电源本身的性质决定的，与外电路的情况没有关系。在电源内部具有把正电荷从低电位搬到高电位的外力，这种外力就称为电源力或非电场力。它能够不断地把在外电路中被电场力移到负极的正电荷，经过电源内部重新搬到正极上去。
电源力能够把正电荷由负极搬回到正极，说明它能够对电荷做功。为了表征电源的这种特性，衡量不同电源的做功（能量转换）本领，在这里引入电动势的概念，定义为电源内部的电源力将正电荷由负极移动到正极所做的功与被移动的电荷量的比值，称为电源的电动势。电源的电动势等于电源没有接入电路时两极间的电压。电动势用符号 E 表示，单位跟电压的单位相同，也是V。
式中， E 表示电源电动势，单位为伏特（V）； W 表示电源力或非电场力做的功，单位为焦耳（J）； q 表示电源力移动电荷的数量，单位为库仑（C）。
图1-6 蓄电池示意图
由上式可知，电动势在数值上等于电源力将电位正电荷从电源负极移到正极所做的功。以图1-6所示的蓄电池为例来简要说明电源的工作过程。
由于蓄电池内部电源力的作用，在正极A上有大量正电荷堆积起来，而在负极B上堆积了大量负电荷。由于正极A电位高于负极B电位，所以当用金属导线C把正极A与负极B连接起来的时候，正电荷在电场力的作用下，从正极经过金属导线C而流向负极B，正负电荷因此相遇而不断地将其中和掉。这时两极A和B上的电荷会不会减少呢？不会。因为在电源外部，当正电荷在电场力作用下从正极A经导线C流向负极B时，在电源内部，电解液不断地产生新的电荷，正电荷在电源力作用下，将不断地补充到正极A上去，负电荷也不断地等量补充到负极B上去，这样就保持了两极间电位差不变，从而维持了电流连续不断地通过导线。由此可见，在电源内部，电流是从负极B流向正极A。而在电源外部，电流是从正极A流向负极B。
值得说明的是，图1-6所示的外电路是为了讲解的方便，选用金属导线C。实际工作的外电路不可能是一根金属导线，而是一个复杂的电路或者用电器。同时，蓄电池内部电解液电离出正负电荷的过程也较为复杂，在这里也未详细阐述，这一点希望读者理解。
虽然电动势和电压的单位相同，但是我们必须明确，电动势和电压是两个意义不同的物理量。电动势是表示电源把其他能量转换为电场能量（电源力做功）的本领的物理量；而电压则是表示在电路中电场力做功本领的物理量。电动势仅仅存在于电源的内部；而电压不仅存在于电源的内部，也存在于电源的外部。在电源内部从负极（低电位）到正极（高电位）规定为电动势的方向（电动势符号及方向如图1-7所示）。
图1-7 电动势符号及方向
电动势的大小只取决于电源本身的性质，与外电路的性质以及是否接通外电路无关。每个电源都有一定的电动势。电源电动势可以是不变的，也可以是变化的。不随时间变化的电动势叫恒定电动势。在我们今后讨论的电路中，应用的都是具有恒定电动势的电源。电池和直流发电机等直流电源均具有恒定电动势。
电动势也是一个标量，但它和电流一样有规定的方向，即规定自负极通过电源内部到正极的方向为电动势的方向。
思考题
1.电流是怎样形成的？电流的形成需要什么条件？试举生活中的一例说明之。
2.电流的方向与参考方向是一致的吗？如果不一致可以吗？试说明之。
3.直流电和脉动直流电有什么异同？试画出其波形图。
4.电压有几种叫法？
5.电压、电位和电动势是一回事吗？试比较其异同点。
6.参考点有几种叫法？参考点一定是零电位吗？
7.分别阐述电流、电位、电压和电动势的定义，并分别说明上述物理量的方向。