1.2 電路的基本物理量

我們在了解電路結構后，還需要對電路的基本物理量作進一步的探討。

1.2.1 電流

加油站1——電路與水路的類比

電學概念比較抽象，初學者較難理解。如果我們把電路比喻成水路，把電看成水，則電流相當于水流，電壓相當于水壓，電阻相當于水流中的障礙物，漏電相當于漏水，紋波相當于水波浪，電容器相當于盛水的容器……這樣就容易理解了。電路與水路的類比如圖1-4所示。

加油站2——什么是電流

水管中的水沿著一個方向流動，我們就說水管中有水流。同樣，電路中的電荷沿著一個方向定向運動，就形成了電流。

一般情況下，帶電體所帶正電荷越多，其電位越高。如果把兩個電位不同的帶電體用導體連接起來，電位高的帶電體中的正電荷便向電位低的那個帶電體流去，于是導體中便產生了電流。

在如圖1-1所示的電路中，當裝入新電池時，電燈泡能正常發光，說明電路中有電流通過；當換上電能已耗盡的無電電池時，電燈泡不能發光，說明電路中沒有電流通過。

如圖1-5所示，當將有電電池接入電路時，自由電子向電池正極（+）移動，電池的負極（-）供給電子，這樣就產生了連續的電子流。我們把電荷的定向有規則的移動稱為電流。

在導體中，電流是由各種不同的帶電粒子在電場作用下作有規則的運動形成的。

電流這個名詞不僅表示一種物理現象，也代表一個物理量。

記憶口訣

電流神速來傳輸，好似鋼管進鋼珠，

電子流動負向正，電流規定正向負。

鉆研電工有興趣，多思多想道理出，

博采電學智慧樹，有了知識窮變富。

加油站3——電流的大小

電流大小取決于在一定時間內通過導體橫截面電荷量的多少，一般用以下公式進行計算。

式中，電荷量q的單位為庫侖（C）；時間t的單位為秒（s）；電流I的單位為安培（A）。

電流的常用單位還有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）。大家應注意它們的換算關系，即

1A=103mA=106μA

在實際運用時，電流的大小可以用電流表測量。注意，測量前要選擇好電流表的量程。

加油站4——電流的方向

電流的方向規定為正電荷定向運動的方向。在金屬導體中，電流的方向與自由電子定向運動的方向相反。

在分析與計算電路時，常常需要知道電流的方向，但有時對某段電路中電流的方向往往難以判斷，這時可先假設一個電流方向，稱為參考方向（也稱為正方向）。如果計算結果電流為正值（I>0），則說明電流的實際方向與參考方向一致；如果計算結果電流為負值（I<0），則說明電流的實際方向與參考方向相反。也就是說，在分析電路時，電流的參考方向可以任意假定，最后由計算結果確定，如圖1-6所示。

記憶口訣

形成電流有規定，電荷定向之移動。

正電移動的方向，定為電流的方向。

金屬導電靠電子，電子方向電流反。

加油站5——形成電流的條件

形成電流必要具備以下兩個條件。

（1）要有能夠自由移動的電荷——自由電荷。

（2）導體兩端必須保持一定的電位差（即電壓）。

電路中有電流通過，常常表現為熱、磁、化學效應等物理現象，如電燈泡發光、電飯煲發熱、揚聲器發聲等。

1.2.2 電位和電壓

在電學中，我們可借助于水路的一些概念，把水位類比為電位，把水壓類比為電壓。

加油站1——電位

電的情況與水相同，將某一點相對于某一基準點的電的“壓力”稱為電位。那么，什么是電位呢？電位是指電路中某一點與某一參考點（基準點）之間的電壓。

這里指的某一參考點或基準點，一般為大地、電器的金屬外殼或電源的負極。為了分析與計算方便，一般規定參考點或基準點的電位為零，又稱為零電位。

電位用帶下標的字母V表示，如VA、VB。電位的單位為伏特，用字母V表示。

加油站2——電壓的概念及大小

就如同水會從高處向較低處流一樣，在電路中，任意兩點之間的電位差，稱為該兩點間的電壓。

電壓的符號為U。電壓的單位為伏特，用字母V表示。根據電壓的概念則有

U=VA-VB

電壓是指電路中任意兩點之間的電位差，其大小等于電場力將正電荷由一點移動到另一點所做的功與被移動電荷電荷量的比值，即

式中，所做功W的單位為焦耳（J）；電荷量q的單位為庫侖（C）；電壓U的單位為伏特（V）。

電壓的國際單位為伏特（V），常用的單位還有毫伏（mV）、微伏（μV）、千伏（kV）等。它們與伏特的換算關系為

電壓的大小可以用電壓表測量。

加油站3——電壓的方向

電壓和電流一樣，不僅有大小，而且有方向，即有正負。對于負載來說，規定電流流入端為電壓的正端，電流流出端為電壓的負端，電壓的方向由正指向負。

對于電阻負載來說，沒有電流就沒有電壓，有電流就一定有電壓。電阻器兩端的電壓通常稱為電壓降。

電壓的方向在電路圖中有3種表示方法，如圖1-8所示，這3種表示方法的意義相同。

在分析電路時往往難以確定電壓的實際方向，此時可先任意假設電壓的參考方向，再根據計算所得值的正、負來確定電壓的實際方向。

1.2.3 電動勢

加油站1——什么是電動勢

在如圖1-4所示的電路中，干電池起到了水路中泵的作用。干電池內的化學力具有持續提供電能的能力，保證電流不斷流動。干電池等稱為電源。這種電源內部的力叫做電源力，電源力在單位時間內將正電荷從電源負極移送到正極，所做的功叫做電動勢。

電動勢是產生和維持電路中電壓的保證。一旦電源電動勢耗盡，電路就會失去電壓，就不再有電流產生。例如，在如圖1-1所示的小實驗中，當換上已用過的無電電池后，合上開關，電燈泡不亮，就是這個道理。

加油站2——電動勢的大小

電動勢等于在電源內部電源力將正電荷由低電位（負極）移到高電位（正極）做的功與被移動電荷電荷量的比值。即

式中，電源力所做的功W的單位為焦耳（J）；電荷量q的單位為庫侖（C）；電動勢E的單位為伏特（V）。

電動勢是衡量電源的電源力大?。醋龉Ρ绢I）及其方向的物理量。

加油站3——電動勢的方向

規定電動勢的方向是由電源的負極（低電位）指向正極（高電位）。在電源內部，電源力移動正電荷形成電流，電流由低電位（負極）流向高電位（正極）；在電源外部電路中，電場力移動正電荷形成電流，電流由高電位（正極）流向低電位（負極），如圖1-9所示。

加油站4——電動勢的圖形符號

直流電動勢的圖形符號如圖1-10所示。

1.2.4 電功率

加油站1——什么是電功率

電功率是衡量電能轉化為其他形式能量快慢的物理量。我們平常說這個電燈泡是40W，那個電燈泡是60W，電飯煲是750W，這就是指的電功率。我們平時一般把電功率簡稱為功率。

加油站2——電功率的大小

電路元件或設備在單位時間內所做的功稱為電功率，用字母P表示。計算電功率的公式為

式中，所做功W的單位為焦耳（J）；時間t的單位為秒（s）；電功率P的單位為瓦特（W）。

由于電路元件或設備的電功率與其電阻有關，電功率的公式還可以寫成

如圖1-11所示，在相同電壓下，并聯接入同一電路的25W和100W電燈泡的發光亮度明顯不同，這是因為100W電燈泡的功率大，25W電燈泡的功率小。

我們在日常生活中還有這樣的體驗，同一個電燈泡，在不同電壓的情況下發光亮度不同，如圖1-12所示，這說明電功率與電壓有關。

記憶口訣

電燈電器有標志，額定電壓額功率。

消耗電能的快慢，功率為P單位瓦，

常用代號W，大的單位為千瓦。

功率計算有多法，阻性負載壓乘流；

電流平方乘電阻，也可算出電功率。

加油站3——電功率的單位

電功率的國際單位為瓦特（W），常用的單位還有毫瓦（mW）、千瓦（kW），它們與瓦特的換算關系是

1mW=10-3W

1kW=103W

1.2.5 電能

加油站1——電能及應用

電能是自然界的一種能量形式。電能改變了人類社會，使人類社會進入了電氣時代。各種用電設備必須借助于電能才能正常工作，用電設備工作的過程就是電能轉化為其他形式能量的過程。

日常生活中使用的電能主要來自其他形式能量的轉化，包括水能（水力發電）、風能（風力發電）、核能（核能發電）、光能（太陽能）等。電能也可以轉化為其他形式的能量。電能可以以有線或無線的形式作遠距離的傳輸。

電能在現代社會中的廣泛應用如圖1-13所示。

加油站2——電能的計算

在一段時間內，電場力所做功的稱為電能，用字母W表示。計算電能的公式為

W=Pt

式中，P為功率；t為通電時間；W為電能。

電能的單位是焦耳（J）。對于電能的單位，人們常常不用焦耳，仍用非法定計量單位“度”。焦耳和度的換算關系為

1度（電）=1kW·h=3.6×106J

也就是說，功率為1000W的供能或耗能元件，在1h（小時）的時間內所發出或消耗的電能為1度（電）。