1.1　電路變量

電在日常生活、生產和科學實驗中得到了廣泛的應用。要用電，就離不開電路。電路是為實現和完成人們的某種需求，由若干電氣設備或元器件按一定方式用導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。其主要作用是實現能量的傳輸和轉換，或實現信號的傳遞和處理。

不管電路的具體形式如何變化，電路通常由電源、負載及中間環節三部分組成。

（1）電源

電源是提供電能的設備，它將其他形式的能轉換為電能。如發電機、干電池、蓄電池等都是電源，它們將各種非電能如熱能、化學能、光能和原子能等轉換為電能。

（2）負載

負載是取用電能的裝置，即用電設備，如電燈、電動機、空調、冰箱、電視機等。它們將電能轉換為其他形式的能。

（3）中間環節

中間環節是傳輸、控制電能的裝置，用來連接電源與負載，通常是一些連接導線、開關、接觸器等輔助設備。它也可以是一個具有極其復雜的控制功能的傳輸網。

為了便于對電路進行分析和計算，將實際元器件理想化，使每一種元器件只集中表現一種主要的電或磁的性能，這種理想化元器件就是實際元器件的模型。理想化元器件簡稱電路元件。實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

電荷有規則的定向運動形成了電流。規定以正電荷運動的方向作為電流的實際方向。單位時間內通過導體截面積的電量定義為電流強度，用它來衡量電流的大小。電流強度簡稱為電流，用符號i表示。則

式中，dq為在時間dt內通過導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A表示。常用的單位還有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）。

在求解復雜電路時，往往難以事先判斷電流的真實方向。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。當電流的參考方向與實際方向相同時，電流為正值；反之，則電流為負值。這樣，電流的值就有正有負，是一個代數量，其正負可以反映電流的實際方向與參考方向的關系。

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

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兩點間的電壓，在數值上等于電場力將單位正電荷從a點移到b點所做的功，用uab表示，則

式中，dwab表示電場力將電量為dq的電荷從a移動到b所做的功。在國際單位制中，電壓的單位為伏特，用符號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，有實際方向和參考方向（正方向）之分，要加以區別。電工學中規定，一段電路上，電壓的實際方向是由高電位點指向低電位點。即，電位沿著電壓的實際方向逐點降低。

在分析、計算復雜電路時，要預先設定電壓的參考方向。當電壓的參考方向與實際方向相同時，電壓為正值；反之，則電壓為負值。

電壓的參考方向既可以用正（+）、負（-）極性表示，如圖1-3（a）所示，正極性指向負極性的方向就是電壓的參考方向；也可以用雙下標表示，如圖1-3（b）所示，其中Uab表示a、b兩點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流向低電位點，則稱二者的參考方向為關聯參考方向，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流向高電位點，則稱二者的參考方向為非關聯參考方向，如圖1-5所示。

對負載，通常選取電壓、電流的參考方向為關聯參考方向；對電源，選取電壓、電流的參考方向為非關聯參考方向。

（2）電位

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

根據電路可得

Uab=10×6=60V

Uca=4×20=80V

Uda=6×5=30V

Ucb=140V

Udb=90V

可見，在圖1-6中，只能計算出兩點間的電壓值，而不能計算出某一點的電位值。因此，計算電位時，必須選定電路中某一點作為參考點（通常假設參考點的電位為零），其他各點的電位與參考點進行比較，比它高的為正，比它低的為負。正的數值越大則電位越高，負數的絕對值越大則電位越低。

參考點在電路圖中標上接地符號，常用“⊥”標注。所謂“接地”，并非真正與大地相接。在圖1-6中，如果設a點為參考點，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點的電位比a點低60V，而c點和d點的電位比a點分別高80V和30V。如果設b點為參考點，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

從以上結果可以看出：

①電路中某一點的電位等于該點與參考點（電位為零）之間的電壓。

②參考點選得不同，電路中各點的電位值隨著改變，但是任意兩點間的電壓是不變的。所以各點電位的高低是相對的，而兩點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，可能會出現不同的接地符號，對應的電位標注應分別與相應的“地”為基準，不可以混為一談。

1.1.3　電功率和電能

單位時間內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時間內電路轉換的電能。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。

當電路為直流時，有

P=UI　　（1-4）

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）。電工技術中，往往直接用瓦特·秒（W·s）作單位，有時用千瓦·時（kW·h）。1千瓦的用電設備在1小時內消耗的電能，即1千瓦·時，俗稱1度電。

1kW·h=1000×3600=3.6×106W·s