1.2 电路的基本物理量

我们在了解电路结构后，还需要对电路的基本物理量作进一步的探讨。

1.2.1 电流

加油站1——电路与水路的类比

电学概念比较抽象，初学者较难理解。如果我们把电路比喻成水路，把电看成水，则电流相当于水流，电压相当于水压，电阻相当于水流中的障碍物，漏电相当于漏水，纹波相当于水波浪，电容器相当于盛水的容器……这样就容易理解了。电路与水路的类比如图1-4所示。

加油站2——什么是电流

水管中的水沿着一个方向流动，我们就说水管中有水流。同样，电路中的电荷沿着一个方向定向运动，就形成了电流。

一般情况下，带电体所带正电荷越多，其电位越高。如果把两个电位不同的带电体用导体连接起来，电位高的带电体中的正电荷便向电位低的那个带电体流去，于是导体中便产生了电流。

在如图1-1所示的电路中，当装入新电池时，电灯泡能正常发光，说明电路中有电流通过；当换上电能已耗尽的无电电池时，电灯泡不能发光，说明电路中没有电流通过。

如图1-5所示，当将有电电池接入电路时，自由电子向电池正极（+）移动，电池的负极（-）供给电子，这样就产生了连续的电子流。我们把电荷的定向有规则的移动称为电流。

在导体中，电流是由各种不同的带电粒子在电场作用下作有规则的运动形成的。

电流这个名词不仅表示一种物理现象，也代表一个物理量。

记忆口诀

电流神速来传输，好似钢管进钢珠，

电子流动负向正，电流规定正向负。

钻研电工有兴趣，多思多想道理出，

博采电学智慧树，有了知识穷变富。

加油站3——电流的大小

电流大小取决于在一定时间内通过导体横截面电荷量的多少，一般用以下公式进行计算。

式中，电荷量q的单位为库仑（C）；时间t的单位为秒（s）；电流I的单位为安培（A）。

电流的常用单位还有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）。大家应注意它们的换算关系，即

1A=103mA=106μA

在实际运用时，电流的大小可以用电流表测量。注意，测量前要选择好电流表的量程。

加油站4——电流的方向

电流的方向规定为正电荷定向运动的方向。在金属导体中，电流的方向与自由电子定向运动的方向相反。

在分析与计算电路时，常常需要知道电流的方向，但有时对某段电路中电流的方向往往难以判断，这时可先假设一个电流方向，称为参考方向（也称为正方向）。如果计算结果电流为正值（I>0），则说明电流的实际方向与参考方向一致；如果计算结果电流为负值（I<0），则说明电流的实际方向与参考方向相反。也就是说，在分析电路时，电流的参考方向可以任意假定，最后由计算结果确定，如图1-6所示。

记忆口诀

形成电流有规定，电荷定向之移动。

正电移动的方向，定为电流的方向。

金属导电靠电子，电子方向电流反。

加油站5——形成电流的条件

形成电流必要具备以下两个条件。

（1）要有能够自由移动的电荷——自由电荷。

（2）导体两端必须保持一定的电位差（即电压）。

电路中有电流通过，常常表现为热、磁、化学效应等物理现象，如电灯泡发光、电饭煲发热、扬声器发声等。

1.2.2 电位和电压

在电学中，我们可借助于水路的一些概念，把水位类比为电位，把水压类比为电压。

加油站1——电位

电的情况与水相同，将某一点相对于某一基准点的电的“压力”称为电位。那么，什么是电位呢？电位是指电路中某一点与某一参考点（基准点）之间的电压。

这里指的某一参考点或基准点，一般为大地、电器的金属外壳或电源的负极。为了分析与计算方便，一般规定参考点或基准点的电位为零，又称为零电位。

电位用带下标的字母V表示，如VA、VB。电位的单位为伏特，用字母V表示。

加油站2——电压的概念及大小

就如同水会从高处向较低处流一样，在电路中，任意两点之间的电位差，称为该两点间的电压。

电压的符号为U。电压的单位为伏特，用字母V表示。根据电压的概念则有

U=VA-VB

电压是指电路中任意两点之间的电位差，其大小等于电场力将正电荷由一点移动到另一点所做的功与被移动电荷电荷量的比值，即

式中，所做功W的单位为焦耳（J）；电荷量q的单位为库仑（C）；电压U的单位为伏特（V）。

电压的国际单位为伏特（V），常用的单位还有毫伏（mV）、微伏（μV）、千伏（kV）等。它们与伏特的换算关系为

电压的大小可以用电压表测量。

加油站3——电压的方向

电压和电流一样，不仅有大小，而且有方向，即有正负。对于负载来说，规定电流流入端为电压的正端，电流流出端为电压的负端，电压的方向由正指向负。

对于电阻负载来说，没有电流就没有电压，有电流就一定有电压。电阻器两端的电压通常称为电压降。

电压的方向在电路图中有3种表示方法，如图1-8所示，这3种表示方法的意义相同。

在分析电路时往往难以确定电压的实际方向，此时可先任意假设电压的参考方向，再根据计算所得值的正、负来确定电压的实际方向。

1.2.3 电动势

加油站1——什么是电动势

在如图1-4所示的电路中，干电池起到了水路中泵的作用。干电池内的化学力具有持续提供电能的能力，保证电流不断流动。干电池等称为电源。这种电源内部的力叫做电源力，电源力在单位时间内将正电荷从电源负极移送到正极，所做的功叫做电动势。

电动势是产生和维持电路中电压的保证。一旦电源电动势耗尽，电路就会失去电压，就不再有电流产生。例如，在如图1-1所示的小实验中，当换上已用过的无电电池后，合上开关，电灯泡不亮，就是这个道理。

加油站2——电动势的大小

电动势等于在电源内部电源力将正电荷由低电位（负极）移到高电位（正极）做的功与被移动电荷电荷量的比值。即

式中，电源力所做的功W的单位为焦耳（J）；电荷量q的单位为库仑（C）；电动势E的单位为伏特（V）。

电动势是衡量电源的电源力大小（即做功本领）及其方向的物理量。

加油站3——电动势的方向

规定电动势的方向是由电源的负极（低电位）指向正极（高电位）。在电源内部，电源力移动正电荷形成电流，电流由低电位（负极）流向高电位（正极）；在电源外部电路中，电场力移动正电荷形成电流，电流由高电位（正极）流向低电位（负极），如图1-9所示。

加油站4——电动势的图形符号

直流电动势的图形符号如图1-10所示。

1.2.4 电功率

加油站1——什么是电功率

电功率是衡量电能转化为其他形式能量快慢的物理量。我们平常说这个电灯泡是40W，那个电灯泡是60W，电饭煲是750W，这就是指的电功率。我们平时一般把电功率简称为功率。

加油站2——电功率的大小

电路元件或设备在单位时间内所做的功称为电功率，用字母P表示。计算电功率的公式为

式中，所做功W的单位为焦耳（J）；时间t的单位为秒（s）；电功率P的单位为瓦特（W）。

由于电路元件或设备的电功率与其电阻有关，电功率的公式还可以写成

如图1-11所示，在相同电压下，并联接入同一电路的25W和100W电灯泡的发光亮度明显不同，这是因为100W电灯泡的功率大，25W电灯泡的功率小。

我们在日常生活中还有这样的体验，同一个电灯泡，在不同电压的情况下发光亮度不同，如图1-12所示，这说明电功率与电压有关。

记忆口诀

电灯电器有标志，额定电压额功率。

消耗电能的快慢，功率为P单位瓦，

常用代号W，大的单位为千瓦。

功率计算有多法，阻性负载压乘流；

电流平方乘电阻，也可算出电功率。

加油站3——电功率的单位

电功率的国际单位为瓦特（W），常用的单位还有毫瓦（mW）、千瓦（kW），它们与瓦特的换算关系是

1mW=10-3W

1kW=103W

1.2.5 电能

加油站1——电能及应用

电能是自然界的一种能量形式。电能改变了人类社会，使人类社会进入了电气时代。各种用电设备必须借助于电能才能正常工作，用电设备工作的过程就是电能转化为其他形式能量的过程。

日常生活中使用的电能主要来自其他形式能量的转化，包括水能（水力发电）、风能（风力发电）、核能（核能发电）、光能（太阳能）等。电能也可以转化为其他形式的能量。电能可以以有线或无线的形式作远距离的传输。

电能在现代社会中的广泛应用如图1-13所示。

加油站2——电能的计算

在一段时间内，电场力所做功的称为电能，用字母W表示。计算电能的公式为

W=Pt

式中，P为功率；t为通电时间；W为电能。

电能的单位是焦耳（J）。对于电能的单位，人们常常不用焦耳，仍用非法定计量单位“度”。焦耳和度的换算关系为

1度（电）=1kW·h=3.6×106J

也就是说，功率为1000W的供能或耗能元件，在1h（小时）的时间内所发出或消耗的电能为1度（电）。