1.3 電流、電壓及其參考方向

日常生活中我們都有這樣的常識：當打開水龍頭時若有水流出來，則水管中一定有水壓；有水壓但水龍頭未打開時，不會有水流出來。電壓與電流的關系也是如此。

照明電路如圖1-7所示。若電路中有電源設備或有電源設備提供的電壓，當電路中控制燈泡的開關閉合時，燈泡才會亮，這時電路中就會有電流流過燈泡，實現電能的轉換；若開關斷開，電路中雖然有電壓，燈泡也不會亮。若電路中沒有電源或沒有電源提供的電壓，只用導線把開關和燈泡連接起來，開關閉合時燈泡也不會亮。可見電路中存在電壓是電路中形成電流的必要條件。照明電路中的插座可提供電源電壓，當用電器（如電視機）通過插座接通電源時，電視機才會工作，將電能轉變為聲音或圖像信號輸出；若電源停電，即使將電視機接通電源，它也不會工作。

用電器工作時能量轉換的能力與電壓、電流都有關系，電壓、電流的方向還影響到旋轉電器的轉動方向。下面討論電流、電壓及其參考方向。

1.3.1 電流及其參考方向

1.電流的定義

電荷的定向移動形成電流。單位時間內通過導體某一橫截面的電量稱為電流強度（電流的大小），用小寫字母i表示，即

電流的大小和方向均不隨時間變化的稱為穩恒直流電流，簡稱直流（DC），用大寫字母I表示，即

2.電流的單位

國際單位制（SI）中，電量Q的單位是庫侖（C），時間t的單位是秒（s），電流的單位是安培（A）。較小的電流單位有毫安（m A）、微安（μA）、納安（n A）。它們之間的換算關系是

1 A=103 m A =106 μA=109 n A

3.電流的方向

電流的實際方向規定為正電荷運動的方向。為了分析、計算電路方便，預先假定的電流方向稱為電流的參考方向（或正方向）。電流的方向用雙下標或在連接導線上用箭頭表示，如圖1-8所示。當參考方向與實際方向一致時， 0i＞ ；當參考方向與實際方向相反時， 0i＜ 。在圖1-8中， i。

4.電流的分類

各種電流的波形圖如圖1-9所示。

5.電流的測量

電流可用電流表、、來測量。電流表的實物圖及測量方法見第8章常用電工測量儀器儀表及測量技術。測量接線時將電流表串聯在電路中，用電流表接通電路。直流電流表有正、負兩個接線端子，正極接電路的高電位端。交流電流表的兩個接線端子無正、負之分。

1.3.2 電壓及其參考方向

1.電壓的定義

單位正電荷在電場力的作用下從電路中的點a移動到點b，電場力所做的功稱為a、b兩點間的電壓，即

電壓的大小和方向均不隨時間變化時稱為穩恒直流電壓，用大寫字母U表示；一般電壓用小寫字母u表示。

2.電壓的單位

在國際單位制中，電荷的單位是庫侖（C），功的單位是焦耳（J），電壓的單位是伏特（V）。較大的單位有千伏（k V），較小的單位有毫伏（m V）、微伏（μV），它們之間的換算換算關系是

1 k V = 103 V，1 V = 103 m V =106 μV

3.電壓的方向

電位降低的方向為電壓的實際方向。任意假設的電壓方向稱為電壓的參考方向（或正方向）。當電壓的實際方向與參考方向一致時，U > 0，電壓為正值；當電壓的實際方向與參考方向相反時，U< 0，電壓為負值。

4.電壓方向的表示方法

電壓的參考方向可以用以下3種方法表示，如圖1-10所示。

①用“+”“?”符號表示。“+”符號表示假定的高電位端，“?”符號表示假定的低電位端。電壓的參考方向由“+”指向“?”。

圖1-10 電壓方向的表示方法

②用雙下標表示。第一個字母表示假定的高電位點，第二個字母表示假定的低電位點。如uab表示電壓的參考方向由a指向b。

③ 用箭頭的指向來表示。電壓的參考方向由假定的高電位端指向低電位端。

5.電壓的測量

電壓用電壓表、來測量。電壓表的實物圖及測量方法見第8章。接線時將電壓表并聯在被測元件兩端。直流電壓表有正、負兩個接線端子，正極接電路的高電位端。交流電壓表的兩個接線端子無正、負之分。

注意

雖然電壓、電流的參考方向可任意選定，但為了分析計算方便，常將同一元件上的電流和電壓的參考方向選為一致，稱為關聯正方向；反之為非關聯正方向，如圖1-11所示。

*例1-1 電路如圖1-12所示，=-7V，=3A，I2=-2A，I3=5A，各電量的參考方向在圖中已經標出。請問：（1）各段電路電流、電壓的參考方向是否關聯？（2）各段電路電流的實際方向如何？（3）AB段電壓的實際方向如何？

解：（1）一個兩端元件若電流從電壓的正極流入，從負極流出，則電壓電流為關聯方向；反之為非關聯方向。

由圖1-12可知，U2、I2為關聯方向，U3、I3為關聯方向。U1、I1為非關聯方向。

（2）由圖1-12可知，I1、I3為正值，實際方向與參考方向一致；為負值，實際方向與參考方向相反。

（3）因為U1=-7V，由圖1-12可知，的實際方向與參考方向相反，故點B的電位高，點A的電位低。AB段電壓的實際方向是由點B指向點A。

1.3.3 電位

1.電位

任選電路中的任意一點o為參考點，則電路中的某點a與參考點o間的電壓uao就稱為點a的電位，用Va表示，單位也是伏特。

參考點的電位規定為零，故參考點又稱為零電位點。

2.參考點的選擇

物理學中常選無限遠處或大地為參考點。

電工學中若研究的電路有接地點，就選擇接地點為參考點，用符號表示。

電子線路中，常取若干導線匯集的公共點或機殼作為電位的參考點，用符號或表示。

同一電路中，若選定不同的點為參考點，則同一點的電位是不同的。因此，參考點一經確定，其余各點的電位也就確定了。

3.電壓與電位的關系

電路中a、b兩點間的電壓等于a、b兩點的電位之差，即

電位是相對的，隨參考點發生變化；但任意兩點間的電壓是絕對的，不隨參考點變化。

例1-2 電路如圖1-13所示。求各點的電位及c、d間的電壓。

解：如果選點b為參考點，則

如果選點d為參考點，則

由此可見，選用不同的參考點，各點電位的數值不同，但任意兩點之間的電壓不隨參考點的改變而變化。

在電子電路中，為了簡化電路的繪制，常采用電位標注法。方法是：先確定電路的電位參考點，用標明電源端極性及電位數值的方法表示電源的作用。例如，圖1-14（a）所示電路用電位標注時，可簡化成圖1-14（b）所示的形式。

1.3.4 電動勢

1.電動勢

電源的作用和水泵相似，水泵不斷地把低處的水抽到高處，使供水系統始終保持一定的水壓；電源則不斷地把負極板上的正電荷移到正極板，以保持一定的電壓，這樣電路中才會有持續不斷的電流。要使負極板上的正電荷逆著電場力的方向返回正極板，必須有外力克服電場力做功。電源克服電場力做功（把其他形式的能轉換為電能）的這種能力稱為電源力。

在電源內部，電源力將單位正電荷由負極移到正極所做的功定義為電源的電動勢，電動勢用符號e表示。

直流電源的電動勢為

電源的電動勢在數值上等于電源兩端的開路電壓。例如，5V干電池的電動勢是5V，它比1.5V的干電池轉換能量的本領大。

2.電動勢的圖形符號

電動勢的實際方向規定為電位升高的方向，即由電源的負極指向正極。在直流電路中，電壓源的極性和電動勢的數值一般都是已知的，通常無需規定電動勢的參考方向。交流電動勢參考方向自電壓源的負極指向電壓源的正極。一般電動勢的圖形符號如圖1-15（a）所示，直流電動勢的圖形符號如圖1-15（b）所示。

3.電源電動勢和電壓的關系

電壓源對外電路的作用效果既可以用電動勢表示，也可以用電壓表示。如圖1-16所示，電源的正、負極性已知，電壓Uab的參考方向自電源的正極指向電源的負極。電動勢E和電壓Uab反映了同樣的事實：沿電動勢的方向電位升高了E伏，沿電壓的方向電位降低了同樣的數值，故有E=Uab。因此，對于電壓源的作用效果，在很多情況下往往不用電動勢表示，而是用其正、負極間的電壓來表示。

1.3.5 電能、電功率

1.電能

電流所具有的能量稱為電能。電能用電度表測量，電度表的實物圖及測量方法見第9章照明電路配線及安裝。

電動機轉動、電爐發熱以及電燈發光，說明電能可以轉換為其他形式的能。電能轉換為其他形式能的過程實際上就是電流做功的過程。電能的多少可以用電功來計量。

當用電器工作時，電度表轉動并且顯示電流做功的多少。顯然電功的大小不僅與電壓、電流的大小有關，還取決于用電時間的長短。

電流做的功稱為電功，用字母W表示。

W=UIt

電功的單位是焦耳（J）。

1J=1V×1A×1s

在實際生活中，電功的實用單位是千瓦·時（k W·h），簡稱“度”。

1k W·h=3.6×106J

1度等于功率為1k W的用電器在1h內所消耗的電能。例如，1000W的電爐加熱1h、100W的燈泡照明10h、40W的燈泡照明25h都消耗1度電。

2.電功率

（1）功率的定義。單位時間內電路吸收或發出電能的速率稱為電功率，簡稱功率，用符號p或P表示。習慣上常把吸收或發出電能說成是吸收或發出功率。

直流情況下，P UI= 。

（2）功率的單位。在國際單位制中，功率的單位為瓦特（W）。較小的單位有毫瓦（m W），較大的單位有（k W）、兆瓦（MW）等。

1 W = 1 V×1A

功率常標注在各用電器的銘牌上，表示該用電器能量轉換本領的大小。例如，10k W的電動機正常工作0.1h即可消耗1度電，100W的白熾燈照明10h也消耗1度電。因此，功率大的用電器能量轉換的本領大，但消耗能量相同的用電器的功率不一定相同。

（3）功率的測量。功率用功率表測量。功率表的實物圖及測量方法見第8章常用電工測量儀器儀表及測量技術中的介紹。

（4）功率正負的意義。在電路分析中，電功率有正、負之分：當一個電路元件的功率為正值時，即 0p＞ ，這個元件是負載，它吸收（消耗）功率，即從電路取用電能；當一個電路元件的功率為負值時，即 0p＜ ，這個元件起電源作用，它發出功率，即向電路提供電能。故電功率有以下兩種計算公式。

當一段電路或一個元件的電流、電壓參考方向關聯時，p ui= ，直流時為P UI= ；

當一段電路或一個元件的電流、電壓參考方向非關聯時，p ui=- ，直流時為P UI=- 。

二端元件功率的計算步驟：先根據電流和電壓的參考方向是否關聯，選用相應的計算公式，再將電壓、電流值（可正可負）代入功率的計算公式計算，若計算結果為正，表示該段電路吸收功率，為負載；若計算結果為負，則表示該段電路發出功率，為電源。

例1-3 求圖1-17中各二端元件的功率，并說明各功率的性質。

解：圖1-17（a）中電流、電壓關聯方向，因此

P=UI=5×2=10(W)

，吸收10W的功率，該元件為負載。

圖1-17（b）中電流、電壓關聯方向，因此

P=UI=5×(-2)=-10(W)

，產生10W的功率，該元件為電源。

圖1-17（c）中電流、電壓非關聯方向，因此

P=-UI=-5×(-2)=10(W)

，吸收10W的功率，該元件為負載。

圖1-17（d）中電流、電壓非關聯方向，因此

P=-UI=-(-5)×(-2)=-10(W)

，產生10W的功率，該元件為電源。

提示

電阻元件的電壓、電流實際方向一致，總是吸收功率。而汽車上的蓄電池在充電狀態時電壓、電流方向一致，吸收功率；在供電狀態時電壓、電流方向相反，發出功率。