电工电子技术（适用于本科）最新章节_邱世卉著

1.2 电路的主要物理量

为了分析、计算电路，必须用一些物理量来描述电路的状态。电路的主要物理量有电流、电压、电位、电动势及电功率等。

1.2.1 电流

(1)电流的概念

在电场力的作用下，电荷的定向运动形成电流。电流的大小用单位时间内通过导体横截面的电荷来表示，电流的SI（国际标准单位制）单位是安[培]，简称安（A）。较小的电流可用毫安（mA）和微安（μA）为单位。它们之间的换算关系为

若电流的大小和方向是随时间变化的，称为交变电流(AC)，用符号 i 表示。假设在d t 时间内通过导体横截面的电荷为d q ，则

若电流是恒定的，称为直流电流(DC)，用符号 I 表示。假设在 t 时间内通过导体横截面的电荷为 q ，则

(2)电流的参考方向

习惯上，规定电流的实际方向为正电荷运动的方向。在简单电路中，电流的实际方向很容易确定，但在复杂电路中，往往难以判定某段电路中电流的实际方向，因此，有必要引入参考方向的概念。所谓的参考方向，就是在电流流过某段电路时两个可能的方向中任意假定一个作为电流的方向，这个假定的方向称为电流的参考方向。电流参考方向的表示有箭头表示法和双下标表示法两种。如图1.2.1(a)所示为箭头表示法，如图1.2.1(b)所示为双下标表示法，电流的参考方向都由 A 指向 B 。

图1.2.1 电流的参考方向

这样，假定了电流的参考方向后，应用电路的基本定律和分析计算方法，列写方程并计算出电流值，然后依据电流值的正负，就可判断出电流的实际方向，这也是引入参考方向概念的意义所在。参考方向是一个重要概念，今后没有特殊说明时，电路中所标注的电流方向都是参考方向。理解参考方向要注意以下两个方面：

①假定了参考方向后，电流值就有了正负之分。若参考方向和实际方向相同，则电流为正值；反之，则电流为负值。

②参考方向一经假定，在整个分析过程中必须以此为准，不能变动。

1.2.2 电压

(1)电压、电位和电动势的概念

1)电压的概念

为了描述电场力的做功本领，引入电压的概念。若电场力将正电荷d q 从 A 点移动到 B 点所做的功为d W ，则 A 、 B 两点之间的电压为

可知，两点之间的电压值实际上是电场力将单位正电荷从 A 点移动到 B 点所做的功。电压用符号 u 表示。

2)电位的概念

若取电路中某一点 O 为参考点，则电场力将单位正电荷从电路中 A 点移动到 O 点所做的功称为 A 点的电位。因此， A 点的电位就是 A 点与参考点之间的电压， A 点的电位用 v _A 表示，即 v _A = u _AO 。参考点的电位值为零，并用符号“⊥”标记。在实际应用中，通常选大地作为参考点，有些设备的机壳是接地的，那么，凡是与机壳相连的各点都是零电位点。若机壳不接地，常选择若干导线的交汇点作为参考点。应当注意的是，在一个连通的电路中只有一个参考点，并且在研究同一问题时，参考点一经选定，就不能改变了。从参考点出发沿选定的路径“走”到待求点，电压升取正，电压降取负，累计其代数和就是待求点的电位值。例如，如图1.2.2所示电路，以 C 点为参考点，若选 CBA 路径，则 A 点的电位 V _A = (-40+10)V = -30V；若选择路径 CDA ，则 A 点的电位值 V _A = (30-60)V = -30V。可知，选定了参考点之后，电路中的各点就有了确定的电位值，与所选的路径无关。

图1.2.2 举例电路

有了电位的概念后，常采用电位标注法简化电路图的绘制。其方法为：首先确定电路中的参考点，然后用电源端极性及电位数值代替电源。例如，如图1.2.3( a)所示的电路采用电位标注法简化后如图1.2.3(b)所示。

图1.2.3 举例电路

在理解电压与电位的概念时，应注意：参考点一经选定，电路中任意一点的电位值就唯一确定下来，这是电位的单值性。参考点发生变化，电路中各点的电位值也随之变化，这是电位的相对性。任意两点之间的电压等于两点的电位差，是不变的，与参考点的选择无关，因此，电压具有绝对性。

3)电动势的概念

为了描述电源力（非电场力）的做功本领，引入了电动势的概念。电动势就是电源力在电源内部移动单位正电荷从低电位移动到高电位所做的功，用符号 e 表示。

电动势和电压都可用来描述电源两端的电位差，因此，常用一个与电源电动势大小相等、方向相反的电压来代替电动势对外电路的作用。

恒定的电压、电位、电动势分别称为直流电压、直流电位、直流电动势，分别用符号 U 、 V 、 E 表示。电压、电位、电动势的SI单位都是伏[特]，简称伏(V)，较大的单位是千伏( kV)，较小的单位是毫伏(mV)和微伏（μV）。它们之间的换算关系为

(2)电压的参考方向

在电场力的作用下，正电荷从高电位移动到低电位。因此，电压的实际方向规定为电位降的方向。

在复杂电路的分析和计算中，需要假定电压的参考方向。电压的参考方向有3种表示方法，分别为如图1.2.4所示的箭头表示法、极性表示法和双下标表示法。电压的参考方向都是由 A 指向 B 的。

图1.2.4 电压的参考方向

若参考方向和实际方向一致，则电压为正值；反之，则电压为负值。

需要说明的是，电压和电流的参考方向可分别独立假定，但是为了便于分析和计算，一般假定同一个元件的电压和电流的参考方向相同，称为关联参考方向，即元件的电流参考方向从其电压参考方向的正（“+ ”）极性端流入、从负（“-”）极性端流出。例如，图1.2.5( a)中电压、电流参考方向关联，图1.2.5(b)中电压、电流参考方向非关联。

图1.2.5 电压、电流参考方向的关联与非关联

1.2.3 电功率

单位时间内电场力所做的功，称为电功率，用符号“P”表示。在分析电路时，通常依据电压、电流的参考方向计算电功率。

电压、电流参考方向关联时，电功率 P 为

电压、电流参考方向非关联时，电功率 P 为

无论用哪一个计算公式，若 P >0，表明该元件吸收功率，为负载；若 P <0，表明该元件发出功率，为电源。在直流电路中，电功率的计算公式为

电功率的SI单位是瓦[特]，简称瓦(W)，也可用千瓦(kW)和毫瓦(mW)为单位。它们之间的换算关系为

【例1.2.1】如图1.2.6所示的两个元件N ₁ 、N ₂ ，已知 U = -10V, I =2A，元件N ₁ 、N ₂ 是电源还是负载？

图1.2.6 例1.2.1 的图

解如图1.2.6(a)所示的元件N ₁ ，因为电压与电流参考方向关联，所以电功率 P 为

即元件N ₁ 发出功率，为电源。

如图1.2.6(b)所示的元件N ₂ ，因为电压与电流参考方向非关联，所以电功率 P 为

即元件N ₂ 吸收功率，为负载。

有时，还要计算一段时间内电路所消耗的电能（电功）。从 t ₁ 到 t ₂ 时间内，电路消耗的电能 W 的计算公式为

在直流电路中，电能 W 的计算公式为

电能的SI单位是焦[耳]( J)。在实际中，常用千瓦时( kW·h)为电能的单位。它表示1kW的用电设备在1h(3 600s)内消耗的电能。例如，一只60W的电灯，每天使用3h，一个月（30天）的用电量为

1.2.4 主要物理量的测量

(1)电流和电压的测量

1)使用电流表和电压表测量

电流表和电压表有直流表、交流表和交直流表3种。电流和电压可按以下步骤进行测量：

①选择仪表。若测量电流，选择电流表；若测量电压，选择电压表。若测直流量，选择直流表或交直流表；若测交流量，选择交流表或交直流表。

②选择量程。仪表量程应选择大于被测值，若被测值未知，首先选择最大量程，然后再依据测量情况，转换到适当的量程。为了减小测量误差，尽量使读数在刻度盘的2/3左右位置。

③调零。检查仪表指针是否指零，若不指零，需要调整使指针指零。

④将仪表接入电路。电流表应串入被测电路，电压表应并接在被测电路两端。测量直流电流或电压时，仪表的正极（“+ ”）应接电流的流入端或电压的高电位端，负极（“-”）应接电流的流出端或电压的低电位端，否则会反偏，指针式仪表会打坏表针。

⑤读取数据。

⑥测量完毕，将转换开关置于最高挡。

2)使用万用表测量

除了用电流表和电压表测量外，也可用万用表测量电流和电压。万用表有指针式和数字式两类。在结构上，指针式万用表由表盘、测量电路和转换开关3部分组成，可测量电流、电压、电阻及晶体三极管的“ hFE”等。测量值从表盘刻度尺上读取，其中，“Ω”为电阻刻度值；“ ”为交直流电流、电压刻度值；“ ”为交流10V刻度值；“hFE”为三极管电流放大系数刻度值。用万用表测量电流或电压时，与前面介绍的电流表和电压表的测量方法及步骤大体相同，只是在以下方面应当注意：

①测量前，应将转换开关置于正确位置上。

②在测量过程中，不能带电切换挡位。

③万用表的黑表笔与表内电池的正极相连，红表笔与表内电池的负极相连。因此，在测直流量时，应将表笔置于正确位置上。

④测量完毕，将转换开关置于交流电压最高挡。

(2)电功率的测量

在电工测量中，常用功率表测量电功率。功率表也称瓦特表，内部有电流线圈和电压线圈。电流线圈是两个固定线圈，电阻小，在电路中与负载串联，两个线圈之间可串并联连接，用于改变功率表的电流量程；电压线圈是可动线圈，电阻较大，与几个附加电阻(R _ad )串联后，再与负载并联，由串联的附加电阻来改变电压量程。功率表指针的偏转角和负载的电压与电流的乘积成正比，因此能测量负载的功率。用功率表测量功率的步骤如下：

1)选择量程

功率表量程不是决定于负载的功率，而是决定于负载电流和电压的量程，只有这两个量程都满足要求，功率表的量程才满足要求。功率表量程决定于电流量程与电压量程的乘积。

2)将仪表接入电路

功率表内的电流线圈和电压线圈各有一个端子标有“∗”等标记。接线时，将“∗I”端接到电源侧，另一“I”端接至负载侧；标有“∗U”端可与电流的“∗I”端接在一起，而将另一电压端接到负载的另一侧，如图1.2.7(a)所示。

功率表的接线必须正确，否则不仅无法读数，而且可能损坏仪表。如果接线正确而指针反偏，说明负载含有电源，则应换接“∗I”与“I”端，如图1.2.7(b)所示。

3)读取数据

功率表的每一格代表瓦特数，称为分格常数 C （瓦/格）。测量时，如果读的偏转格数为 N ，则被测功率数值为 P = CN 。