第一节 电路常用物理量

一、电流

金属导体中的自由电子或电解液中的正、负离子，在电场力的作用下，作有规则的定向移动而形成电流。习惯上规定正电荷的移动方向为电流的方向，这个方向也称为电流的实际方向。而电流的实际流动的真正方向则与之相反，即负电荷移动的方向。

电流的大小是以每秒钟内流过导体截面点荷的多少来衡量，代号为I，则

式中 I——电流，A；

Q——电荷量，C；

t——时间，s。

电流的国际制单位为安培，以A表示，其他单位有mA、μA及kA，它们的关系是

1kA=10³A；1mA=10^-3A；1μA=10^-6A

电流的方向随时间不变的为直流电，大小和方向随时间不变的为稳恒直流电，方向随时间改变的为交流电，大小和方向随时间作正弦规律变化的为正弦交流电。

二、电压

大家知道，水从高处流下会作功。水电厂就是利用水坝高处的水流经水轮机时释放的能量而作功发电的，反过来，如果把坝下的水搬运到坝上，就必须克服水的重量，我们所作的功便转变为水增加的势能。

电荷在电场中运动也要作功。电压指电场中移动正电荷所作的功，即单位正电荷从a点移到b点所作的功（如图2-1所示），代号：U_ab，则

式中 U_ab——a、b两点的电压，V；

W——正电荷Q从a点移到b点所作的功，J；

Q——正电荷所带的电荷量，C。

此式表明：电压U_ab在数值上等于电场力将正电荷由a点移到b点时所作的功或放出的能量。

在国际制单位中电压的单位为伏特（V），工程中常用千伏（kV）、毫伏（mV）及微伏（μV）来作电压的单位，它们的关系是

1kV=10³V；1mV=10^-3V；1μV=10^-6V

三、电位

在电路中，两点之间的电压也称两点之间的电位差，即

式中φ_a为a点的电位，φ_b为b点的电位。

某点的电位就是该点对参考点（零电位点）的电压，若取电路中的o点为参考点，则a点的电位

φ_a=U_ao

b点的电位

φ_b=U_bo

o点的电位

φ_o=U_oo=0

即参考点的电位为零。

某点的电位正，表示该点的电位高于参考点，某点的电位为负，表示该点的电位低于参考点。

从电位知识可知电压的实际方向应为高电位指向低电位。

四、电动势

在图2-1中，当正电荷从正极板a经外接导体移至负极板b时，正、负电荷要中和，两极板上的电荷逐渐减少而使电位差不断降低，最后电荷停止流动。要使电流继续流动，必须使a、b极板上保持一定的电压，这就要使流到b极板的正电荷重又回到a极板（经另一途径）具有这种本领的装置就是发电机和电池等，它们总称为电源。

正电荷由b极板移至a极板是逆电场而上，它必须克服电场力的作用，就如物体向上必须克服重力一样。电源能够产生一种力来克服电场力，这种力就叫电源力。电源力将正电荷由b极板推到a极板所须能量由化学能及发电机的机械能转换而来。为了衡量电源力推动正电荷作功的能力，引入电动势这一物理量。若电源力将正电荷Q从b极板（低电位端）移到a极板（高电位端）所须能量为W_ba，则比值称为电动势E，即

式中 E——电源电动势，V；

W_ba——电源力对电荷所作的功，J；

Q——正电荷所带的电量，C。

式（2-4）中表明：

（1）电动势E在数值上等于电源力将单位正电荷由负极板b移到正极板a所作的功或所需的能量。

（2）电动势的单位与电压相同。

（3）电动势的方向规定为在电源内部由负极指向正极，也就是升高的地方。

五、电阻

导体有良好的导电性能，但不同导体的导电性能是有差异的。导电性能的强弱取决于导体产生自由电子或离子的多少，还决定于这些带电粒子作定向运动时导体中的原子或分子相碰撞所引起的阻碍程度。衡量导体导电性能的物理量叫电阻，不但导体有电阻，其他物体也有电阻。

物体的电阻由它本身的物理条件决定。金属导体的电阻与导体的材料、长短、粗细有关。实验表明，用一定材料制成粗细均匀的导体，在一定的温度下，其电阻与长度成正比，与横截面成反比。用公式表示时可写为

式中 R——导体的电阻，Ω；

ρ——导体材料的电阻率，Ω·m；

l——导体的长度，m；

s——导体的横截面积，m²。

电阻的大小还与温度有关，金属导体的电阻与温度成正比，而碳和电解液的电阻与温度成反比。某些金属在极低温度时的电阻为零，称为超导。一般导电材料的温度系数在4×10^-3左右，见表2-1，其计算公式为

式中 R₂——t₂温度时的电阻，Ω；

R₁——t₁温度时的电阻，Ω；

α——导体的温度系数，1／℃；

t₂——温度升高时的温度，℃；

t₁——正常时的温度，℃。

六、电功率

（1）电路中只要有电流就有能量的变化。在电场力的作用下，将正电荷Q从高电位移到低电位，说明电场力对正电荷作了功，此功率称为“电功”将式（2-2）变形即可得W=UQ。

单位时间内所作的功，即在t秒时间内所做的功W与时间t的比值，称为电功率，用P表示，计算式为

由于U=IR，上式可改写为P=I²R或P=U²/R。

电工功率的国际制单位为瓦（W），其他单位有千瓦（kW）、兆瓦（MW），它们的换算关系为

1kW=10³W；1MW=10⁶W

与机械功率HP（马力）的换算

1kW=1.36HP；1HP=0.736kW

【例 2-1】有个电熨斗的额定电压为220V，测得电流为1.36A，问其功率为多少?

解：按式（2-7）可求得

P=UI=220×1.364=300（W）

（2）电能。作电功需要消耗电能，而电能消耗量则是用电流在电路中所做的功的度量，即电功率和时间的乘积，用符号A表示，即

A=Pt

电能的单位为千瓦时（kW·h），俗称度。