电路基础知识——电流和电压

电流和电压：

一、电路

如图1——1a所示，用开关和导线将干电池和小灯泡连接起来，只要合上开关，有电流流过，小灯泡就会亮起来。与此相似，将电风扇接上电源，只要合上开关，有电流流过，电风扇就会转起来（图1——1b）。像这样电流流通的路径称为电路。

图1——1c、d是用电器符号描述电路连接情况的图，称为电路原理图，简称电路图。

图1——1e是用功能块表明电路中各部分之间关系的图，称方框图。

在上述两个电路中，电源是提供电能的装置；开关是控制装置，控制电路的导通（ON）和断开（OFF）；小灯泡和电动机是消耗电能的装置，称用电器，也称负载；导线在电路中起连接作用。

二、电流

1.电流的形成

电路中有电流通过，也就意味着电路中有电荷处于移动状态，移动的电荷又载流子。载流子是多种多样的，例如，金属导体中的自由电子、电解液中的离子等。载流子在外加电压的作用下产生有规则的涌动，便形成了电流（图1——4）。

2.电流的方向

习惯上规定正电荷移动的方向为电流的方向，因此电流的方向实际上与电子移动的方向相反。

若电流的方向和大小恒定不变，则称其为稳恒电流（图1——5a），简称直流，用DC表示。若电流的大小和方向都随时间而变化，则为交变电流（图1——5b），简称交流，用AC表示。例如图1——1所示电路，小灯泡是由直流电源（干电池）供电的，称为直流电路；电风扇是由交流电源供电的，称为交流电路。

在分析和计算较为复杂的直流电路时，经常会遇到某一电流的实际方向难以确定的情况，这时可先任意假定一个电流的参考方向，然后根据电流的参考方向列方程求解。如果计算结果I>0，表明电流的实际方向与参考方向相同（图1——6a）；如果计算结果I<0，表明电流的实际方向与参考方向相反（图1——6b）。

【例1——1】如图1—7所示电路中，电流参考方向已选定，已知I1=1 A，I2= —3A，I3=—5A,试指出电流的实际方向。

解：

I1的实际方向与参考方向相同，即电流由a流向b，大小为1A；

I2的实际方向与参考方向相反，即电流由b流向a，大小为3A；

I3的实际方向与参考方向相反，即电流由a流向b，大小为5A。

3.电流的大小

在单位实际内，通过导体横截面积的电荷量越多，就表示流过该导体的电流越强，若在t时间内通过导体横截面积的电荷量是Q,则电流I可以用下式表示：

I=Q/t

电流的单位名称是安培，简称安，用符号A表示；电量单位的名称是库伦，简称库，用符号C表示。式中，I、Q、t的单位分别为 A、C、s。常用的电流单位还有毫安（mA）和微安（μA）。

1Ma=10-3A

1Μa=10-3Ma

4.电流的测量

（1）对交、直流电流应分别使用交流电流表和直流电流表测量。

（2）电流表必须串接到被测量的电路中。

（3）直流电流表表壳接线柱上标明的“+”“-”记号，应和电路的极性相一致（图1——8），不能接错，否则指针要反转，既影响正常测量，也容易损坏电流表。

（4）每个电流表都有一定的测量范围，称为电流表的量程。一般被测电流的数值在电流表量程的一半以上，读数较为准确。因此在测量之前应先估计被测电流大小，以便选择适当量程的电流表。若无法估计，可先用电流表的最大量程挡测量，若指针偏转不到1/3刻度，再改用较小挡去测量，直到测得正确数为止。

不允许将电流表不经过任何负载而直接连接到电源的两极，否则会造成电源短路，电流表也可能损害（图1——9）。

三、电压、电位和电动势

1.电压

在金属导体中虽然有许多自由电子，但只有在外加电场的作用下，这些自由电子才能作有规则的定向移动而形成电流。电场力将单位正电荷从a点移动到b点所做的功，称为a、b两点间的电压，用uab表示。电压单位的名称是伏特，简称伏，用V表示。

电压与电流的关系和水压与水流的关系有相似之处。

在图1——10所示装置中，由于用水泵不断将水槽乙中的水抽送到水槽甲中，使A处比B处水位高，即A、B之间形成了水压，水管中的水便由A处向B处流动，从而推动水车旋转。

在图1——11所示电路中，由于电源的正、负极间存在着电压，电路中便有正电荷有正极流向负极（实际上是负电荷由负极流向正极），从而使电灯发光。

电压的实际方向即为正电荷在电场中的受力方向。在计算较复杂电路时，常常对电压的实际方向难以判断，因此也要先设定电压的参考方向。原则上电压的参考方向可任意选取，但如果已知电流参考方向，则电压参考方向最好选择与电流一致，称为关联参考方向。当电压的实际方向与参考方向一致时，电压为正值；反之，为负值。

电压的参考方向有三种表示方法，如图1——12所示。

【例1——2】已知图1—12a中，U=5V；图1—12b中，U= —V；图1—12c中，Uab= —4V。试指出电压的实际方向。

解：

图1-12a中,U=5V>0，说明电压的实际参考方向与参考方向相同,即由a指向b

图1-12b中,U= -2V<0，说明电压的实际参考方向与参考方向相反,即由b指向a

图1-12c中,Uab= -4V<0，说明电压的实际参考方向与参考方向相反,即由b指向a

2.电位

如果在电路中选定一个参考点，则电路中某一个与参考点之间的电压即为该点的电位。电位的单位也是V。

电路中任意两点之间的电位差就等于这两点之间的电压，即Uab=Ua—Ub，故电压又称电位差。

3.电动势

在图1——10中，水泵的作用是不断地把水从乙水槽抽送到甲水槽，从而使A、B之间始终保持一定的水位差，这样水管中才能有持续的水流。在图1—11中，电源的作用和水泵相似，它不断地将正电荷从电源负极经电源内部移向正极，从而使电源的正、负极之间始终保持一定的电位差（电压），这样电路中才能有持续的电流。

电源将正电荷从电源负极经电源内部移到正极的能力用电动势表示，电动势符号为E,单位为V。

电源电动势在数值上等于电源没有接入电路时两极间的电压。电动势的方向规定为在电源内部由负极指向正极（图1—13）。

对于一个电源来说，既有电动势，又有端电压。电动势只存在电源内部，而端电压则是电源加在外电路两端的电压，其方向由正极指向负极。一般情况下，电源的端电压总是低于电源内部的电动势，只有当电源开路时，电源的端电源才能与电源的电动势相等。

4.电压的测量

（1）对交、直流电压应分别采用交流电压表和直流电压表测量。

（2）电压表必须并联在被测电路的两端。

（3）直流电压表表壳线柱上表明的“+” “-”记号，应和被测两点的电位相一致，即“+”端接高电位，“—”端接低电位，不能接错，否则指针要反转，并会损害电压表（图1-19）

（4）合理选择电压表的量程，其方法和电流表相同。

来源：筑龙电气