2.1 電路的組成及主要物理量

2.1.1 實際電路及其作用

在日常的生產(chǎn)生活中，廣泛應(yīng)用著各種各樣的電路，它們都是實際器件按一定方式連接起來，以形成電流的通路。實際電路的種類很多，不同電路的形式和結(jié)構(gòu)也各不相同。但簡單電路一般都是由電源、負載、連接導(dǎo)線、控制和保護裝置等四個部分按照一定方式連接起來的閉合回路。實際應(yīng)用中的電路是多種多樣的，但就其功能來說可概括為兩個方面。其一，是進行能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換，如電力系統(tǒng)中的輸電電路。其二，是實現(xiàn)信息的傳遞與處理，如收音機、電視機電路。圖2-1所示為日常生活中用的手電筒電路，它也由四部分組成。

圖2-1 手電筒外形與實際電路

a）手電筒實物 b）手電筒內(nèi)部電路 c）手電筒結(jié)構(gòu)

1.電源（干電池）

電源是電路中電能的提供者，是將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置，圖2-1中干電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。含有交流電源的電路叫交流電路，含有直流電源的電路叫直流電路。常見的直流電源有干電池、蓄電池、直流發(fā)電機等。

2.負載（燈泡）

負載即用電裝置，它將電源供給的電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，圖2-1中燈泡將電能轉(zhuǎn)換為光能和熱能。

3.控制和保護裝置（開關(guān)）

控制和保護裝置是用來控制電路的通斷，保證電路正常工作。

4.連接導(dǎo)體或?qū)Ь€（金屬外殼）

連接導(dǎo)體是連接電路、輸送和分配電能的。

2.1.2 電路模型

根據(jù)電路的作用可分為兩類：一類是用于實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換；另一類是用于進行電信號的傳遞和處理。

根據(jù)電源提供的電流，不同電路還可以分為直流電路和交流電路兩種。

綜上所述，電路主要由電源、負載和傳輸環(huán)節(jié)等三部分組成，圖2-2a所示手電筒電路即為一簡單的電路組成；電源是提供電能或信號的設(shè)備，負載是消耗電能或輸出信號的設(shè)備；電源與負載之間通過傳輸環(huán)節(jié)相連接，為了保證電路按不同的需要完成工作，在電路中還需加入適當(dāng)?shù)目刂圃?，如開關(guān)、主令控制器等。

某一種實際元件中在一定條件下，常忽略其他現(xiàn)象，只考慮起主要作用的電磁現(xiàn)象，也就是用理想元件來替代實際元件的模型，這種模型稱之為電路元件，又稱理想電路元件。

圖2-2 手電筒電路與模型

a）手電筒電路 b）手電筒電路模型

用一個或幾個理想電路元件構(gòu)成的模型去模擬一個實際電路，模型中出現(xiàn)的電磁現(xiàn)象與實際電路中的電磁現(xiàn)象十分接近，這個由理想電路元件組成的電路稱為電路模型。如圖2-2b所示電路為手電筒電路模型。

2.1.3 電路的基本物理量

電路中的物理量主要包括電流、電壓、電位、電功率和電能量等，具體見表2-1。

表2-1 電路中主要物理量的符號及單位

1.電流及其參考方向

帶電質(zhì)點的定向移動形成電流。

電流的大小等于單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。電流的實際方向習(xí)慣上是指正電荷移動的方向。

電流分為兩類：一是大小和方向均不隨時間變化，稱為恒定電流，簡稱直流，用I表示。二是大小和方向均隨時間變化，稱為交變電流，簡稱交流，用i表示。

對于直流電流，單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電荷量是恒定不變的，其大小為

對于交流，若在一個無限小的時間間隔dt內(nèi)，通過導(dǎo)體橫截面的電荷量為dq，則該瞬間的電流為

在國際單位制（SI）中，電流的單位是安培（A）。

在復(fù)雜電路中，電流的實際方向有時難以確定。為了便于分析計算，便引入電流參考方向的概念。

所謂電流的參考方向，就是在分析計算電路時，先任意選定某一方向，作為待求電流的方向，并根據(jù)此方向進行分析計算。若計算結(jié)果為正，說明電流的參考方向與實際方向相同；若計算結(jié)果為負，說明電流的參考方向與實際方向相反。圖2-3表示了電流的參考方向（圖中實線所示）與實際方向（圖中虛線所示）之間的關(guān)系。

圖2-3 電流參考方向與實際方向

a）i>0 b）i<0

【例2.1】如圖2-4所示，電流的參考方向已標(biāo)出，并已知I₁=-1A，I₂=1A，試指出電流的實際方向。

解：I₁=-1A<0，則I₁的實際方向與參考方向相反，應(yīng)由點B流向點A。

I₂=1A>0，則I₂的實際方向與參考方向相同，由點B流向點A。

圖2-4 例2.1圖

2.電壓及其參考方向

在電路中，電場力把單位正電荷（q）從a點移到b點所做的功（w）就稱為a、b兩點間的電壓，也稱電位差，記

對于直流，則為

電壓的單位為伏特（V）。

電壓的實際方向規(guī)定從高電位指向低電位，其方向可用箭頭表示，也可用“+”“-”極性表示，如圖2-5所示。若用雙下標(biāo)表示，如U_ab表示a指向b。顯然U_ab=-U_ba。值得注意的是電壓總是針對兩點而言。

圖2-5 電壓參考方向的設(shè)定

和電流的參考方向一樣，也需設(shè)定電壓的參考方向。電壓的參考方向也是任意選定的，當(dāng)參考方向與實際方向相同時，電壓值為正；反之，電壓值則為負。

【例2.2】如圖2-6所示，電壓的參考方向已標(biāo)出，并已知U₁=1V，U₂=-1V，試指出電壓的實際方向。

解：U₁=1V>0，則U₁的實際方向與參考方向相同，應(yīng)由A指向B。U₂=-1V<0，則U₂的實際方向與參考方向相反，應(yīng)由A指向B。

圖2-6 例2.2圖

3.電位

在電路中任選一點作為參考點，則電路中某一點與參考點之間的電壓稱為該點的電位。

電位用符號V或v表示。例如A點的電位記為V_A或v_A。顯然，V_A=V_AO，v_A=v_AO。

電位的單位是伏特（V）。

電路中的參考點可任意選定。當(dāng)電路中有接地點時，則以地為參考點。若沒有接地點時，則選擇較多導(dǎo)線的匯集點為參考點。在電子線路中，通常以設(shè)備外殼為參考點。參考點用符號“⊥”表示。

有了電位的概念后，電壓也可用電位來表示，即

因此，電壓也稱為電位差。

還需指出，電路中任意兩點間的電壓與參考點的選擇無關(guān)。即對于不同的參考點，雖然各點的電位不同，但任意兩點間的電壓始終不變。

【例2.3】如圖2-7所示的電路中，已知各元件的電壓為：U₁=10V，U₂=5V，U₃=8V，U₄=-23V。若分別選B點與C點為參考點，試求電路中各點的電位。

圖2-7 例2.3圖

解：選B點為參考點，

則：V_B=0

V_A=U_AB=-U₁=-10V

V_C=U_CB=U₂=5V

V_D=U_DB=U₃+U₂=（8+5）V=13V

選C點為參考點，

則：V_C=0

V_A=U_AC=-U₁-U₂=（-10-5）V=-15V

V_A=U_AC=U₄+U₃=（-23+8）V=-15V

或：V_B=U_BC=-U₂=-5V

V_D=U_DC=U₃=8V

4.電動勢

電源力把單位正電荷由低電位點B經(jīng)電源內(nèi)部移到高電位點A克服電場力所做的功，稱為電源的電動勢。電動勢用E或e表示，即

電動勢的單位也是伏特（V）。

電動勢與電壓的實際方向不同，電動勢的方向是從低電位指向高電位，即由“-”極指向“+”極，而電壓的方向則從高電位指向低電位，即由“+”極指向“-”極。此外，電動勢只存在于電源的內(nèi)部。

5.功率

單位時間內(nèi)電場力或電源力所做的功，稱為功率，用P或p表示。即

若已知元件的電壓和電流，功率的表達式則為

功率的單位是瓦特（W）。

當(dāng)電流、電壓為關(guān)聯(lián)參考方向時，式（2-8）表示元件消耗能量。若計算結(jié)果為正，說明電路確實消耗功率，為耗能元件。若計算結(jié)果為負，說明電路實際產(chǎn)生功率，為供能元件。

當(dāng)電流、電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向時，則式（2-8）表示元件產(chǎn)生能量。若計算結(jié)果為正，說明電路確實產(chǎn)生功率，為供能元件。若計算結(jié)果為負，說明電路實際消耗功率，為耗能元件。

【例2.4】（1）在圖2-8a中，若電流均為2A，U₁=1V，U₂=-1V，求該兩元件消耗或產(chǎn)生的功率。

（2）在圖2-8b中，若元件產(chǎn)生的功率為4W，求電流I。

圖2-8 例2.4圖

解：（1）對圖2-8a，電流、電壓為關(guān)聯(lián)參考方向，元件消耗的功率為P=U₁I=1×2W=2W>0

表明元件消耗功率，為負載。

對圖2-8b，電流、電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向，元件產(chǎn)生的功率為P=U₂I=（-1）×2W=-2W<0

表明元件消耗功率，為負載。

（2）因圖2-8b中電流、電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向，且是產(chǎn)生功率，故

負號表示電流的實際方向與參考方向相反。