1.1　電路變量

電在日常生活、生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。要用電，就離不開電路。電路是為實(shí)現(xiàn)和完成人們的某種需求，由若干電氣設(shè)備或元器件按一定方式用導(dǎo)線連接而成的電流通路。簡單地說，電路就是電流流通的路徑。其主要作用是實(shí)現(xiàn)能量的傳輸和轉(zhuǎn)換，或?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的傳遞和處理。

不管電路的具體形式如何變化，電路通常由電源、負(fù)載及中間環(huán)節(jié)三部分組成。

（1）電源

電源是提供電能的設(shè)備，它將其他形式的能轉(zhuǎn)換為電能。如發(fā)電機(jī)、干電池、蓄電池等都是電源，它們將各種非電能如熱能、化學(xué)能、光能和原子能等轉(zhuǎn)換為電能。

（2）負(fù)載

負(fù)載是取用電能的裝置，即用電設(shè)備，如電燈、電動(dòng)機(jī)、空調(diào)、冰箱、電視機(jī)等。它們將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能。

（3）中間環(huán)節(jié)

中間環(huán)節(jié)是傳輸、控制電能的裝置，用來連接電源與負(fù)載，通常是一些連接導(dǎo)線、開關(guān)、接觸器等輔助設(shè)備。它也可以是一個(gè)具有極其復(fù)雜的控制功能的傳輸網(wǎng)。

為了便于對電路進(jìn)行分析和計(jì)算，將實(shí)際元器件理想化，使每一種元器件只集中表現(xiàn)一種主要的電或磁的性能，這種理想化元器件就是實(shí)際元器件的模型。理想化元器件簡稱電路元件。實(shí)際元器件可用一種或幾種電路元件的組合來近似地表示。由電路元件構(gòu)成的電路，稱為電路模型，如圖1-1所示的手電筒電路模型。

1.1.1　電流及其參考方向

電荷有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)形成了電流。規(guī)定以正電荷運(yùn)動(dòng)的方向作為電流的實(shí)際方向。單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體截面積的電量定義為電流強(qiáng)度，用它來衡量電流的大小。電流強(qiáng)度簡稱為電流，用符號(hào)i表示。則

式中，dq為在時(shí)間dt內(nèi)通過導(dǎo)體某一截面的電荷量。

在國際單位制中，電流的單位是安培，簡稱安，用符號(hào)A表示。常用的單位還有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）。

在求解復(fù)雜電路時(shí)，往往難以事先判斷電流的真實(shí)方向。為了解決這樣的問題，引入了電流的參考方向。在電路分析中，任意假定的電流方向，稱為電流的參考方向。當(dāng)電流的參考方向與實(shí)際方向相同時(shí)，電流為正值；反之，則電流為負(fù)值。這樣，電流的值就有正有負(fù)，是一個(gè)代數(shù)量，其正負(fù)可以反映電流的實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系。

電流的參考方向一般用實(shí)線箭頭表示，如圖1-2（a）所示；也可以用雙下標(biāo)表示，如圖1-2（b）所示，其中Iab表示電流的參考方向是由a點(diǎn)指向b點(diǎn)。

1.1.2　電壓、電壓的參考方向和電位

（1）電壓、電壓的參考方向

電路中a、b兩點(diǎn)間的電壓，在數(shù)值上等于電場力將單位正電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所做的功，用uab表示，則

式中，dwab表示電場力將電量為dq的電荷從a移動(dòng)到b所做的功。在國際單位制中，電壓的單位為伏特，用符號(hào)V表示，常用的單位還有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）。

電壓和電流一樣，有實(shí)際方向和參考方向（正方向）之分，要加以區(qū)別。電工學(xué)中規(guī)定，一段電路上，電壓的實(shí)際方向是由高電位點(diǎn)指向低電位點(diǎn)。即，電位沿著電壓的實(shí)際方向逐點(diǎn)降低。

在分析、計(jì)算復(fù)雜電路時(shí)，要預(yù)先設(shè)定電壓的參考方向。當(dāng)電壓的參考方向與實(shí)際方向相同時(shí)，電壓為正值；反之，則電壓為負(fù)值。

電壓的參考方向既可以用正（+）、負(fù)（-）極性表示，如圖1-3（a）所示，正極性指向負(fù)極性的方向就是電壓的參考方向；也可以用雙下標(biāo)表示，如圖1-3（b）所示，其中Uab表示a、b兩點(diǎn)間的電壓參考方向由a指向b。

電壓、電流的參考方向可以自由選取，二者并無必然聯(lián)系。在同一段電路中，如果電流的參考方向與電壓的參考方向一致，即電流的參考方向是從電壓參考方向表示的高電位點(diǎn)流向低電位點(diǎn)，則稱二者的參考方向?yàn)殛P(guān)聯(lián)參考方向，如圖1-4所示；如果電流的參考方向與電壓的參考方向不一致，即電流的參考方向是從電壓參考方向表示的低電位點(diǎn)流向高電位點(diǎn)，則稱二者的參考方向?yàn)榉顷P(guān)聯(lián)參考方向，如圖1-5所示。

對負(fù)載，通常選取電壓、電流的參考方向?yàn)殛P(guān)聯(lián)參考方向；對電源，選取電壓、電流的參考方向?yàn)榉顷P(guān)聯(lián)參考方向。

（2）電位

前面已給出電壓概念，兩點(diǎn)間的電壓就是兩點(diǎn)的電位差，它只能說明一點(diǎn)的電位高、另一點(diǎn)的電位低以及兩點(diǎn)的電位相差多少的問題，至于電路中某一點(diǎn)的電位究竟是多少，將在此討論。

以圖1-6所示的電路為例，來討論該電路中各點(diǎn)的電位。

根據(jù)電路可得

Uab=10×6=60V

Uca=4×20=80V

Uda=6×5=30V

Ucb=140V

Udb=90V

可見，在圖1-6中，只能計(jì)算出兩點(diǎn)間的電壓值，而不能計(jì)算出某一點(diǎn)的電位值。因此，計(jì)算電位時(shí)，必須選定電路中某一點(diǎn)作為參考點(diǎn)（通常假設(shè)參考點(diǎn)的電位為零），其他各點(diǎn)的電位與參考點(diǎn)進(jìn)行比較，比它高的為正，比它低的為負(fù)。正的數(shù)值越大則電位越高，負(fù)數(shù)的絕對值越大則電位越低。

參考點(diǎn)在電路圖中標(biāo)上接地符號(hào)，常用“⊥”標(biāo)注。所謂“接地”，并非真正與大地相接。在圖1-6中，如果設(shè)a點(diǎn)為參考點(diǎn)，即Ua=0。如圖1-7（a）所示，可得出

Ub-Ua=Uba，Ub=Uba=-Uab=-60V

Uc-Ua=Uca，Uc=Uca=+80V

Ud-Ua=Uda，Ud=Uda=+30V

由此可見，b點(diǎn)的電位比a點(diǎn)低60V，而c點(diǎn)和d點(diǎn)的電位比a點(diǎn)分別高80V和30V。如果設(shè)b點(diǎn)為參考點(diǎn)，即Ub=0。如圖1-7（b）所示，可得出

Ua-Ub=Uab，Ua=Uab=+60V

Uc-Ub=Ucb，Uc=Ucb=+140V

Ud-Ub=Udb，Ud=Udb=+90V

從以上結(jié)果可以看出：

①電路中某一點(diǎn)的電位等于該點(diǎn)與參考點(diǎn)（電位為零）之間的電壓。

②參考點(diǎn)選得不同，電路中各點(diǎn)的電位值隨著改變，但是任意兩點(diǎn)間的電壓是不變的。所以各點(diǎn)電位的高低是相對的，而兩點(diǎn)間的電壓值是絕對的。

圖1-7（b）也可簡化為圖1-8所示電位形式電路。

值得注意的是，在有的電路中采用了電氣隔離技術(shù)，可能會(huì)出現(xiàn)不同的接地符號(hào)，對應(yīng)的電位標(biāo)注應(yīng)分別與相應(yīng)的“地”為基準(zhǔn)，不可以混為一談。

1.1.3　電功率和電能

單位時(shí)間內(nèi)電場力所做的功稱為電功率，簡稱為功率，用字母p表示，即

式中，dw表示在dt時(shí)間內(nèi)電路轉(zhuǎn)換的電能。在國際單位制中，功率的單位為瓦特（W）。常用的單位還有千瓦（kW）、毫瓦（mW）等。從式（1-3）中可看出，電路的功率也等于該段電路的電壓與電流的乘積。

當(dāng)電路為直流時(shí)，有

P=UI　?。?-4）

電能是電場力所做的功，用大寫字母W表示。W=Pt，單位是焦耳（J）。電工技術(shù)中，往往直接用瓦特·秒（W·s）作單位，有時(shí)用千瓦·時(shí)（kW·h）。1千瓦的用電設(shè)備在1小時(shí)內(nèi)消耗的電能，即1千瓦·時(shí)，俗稱1度電。

1kW·h=1000×3600=3.6×106W·s