电路与磁路-电路的主要基本量.doc

电路的主要物理量无论是电能的传输和转换，还是信号的传递和处理，都体现在电路中电流、电压和电功率的大小及它们之间的关系上。1.2.1 电流导体内的自由电子（即电荷）在电场中受电场力的作用下作定向运动，形成电流。电流的强弱用电流强度来衡量。电流强度在数值上等于单位时间内通过导体某一横截面积的电荷量。设在dt时间内通过横截面积为S的导体的电荷量为dq，则电流强度为 规定正电荷的运动方向或负电荷运动方向相反的方向为电流的实际方向。在外电场的作用下，正电荷将沿着电场方向运动，负电荷则为逆向，电流的实际方向总是和外电场方向一致。电流是时间的函数。电流有交流电流和直流电流两种。交流电流的电流大小及方向都随时间的变化而变化，我们常用小写字母i表示 图1直流电流的电流大小和方向不随时间变化而变化，常用I表示。对于直流电流，若在时间t内通过的导体横截面积的电荷量为Q，则电流为图2国际单位制中，电流的单位是安培（A），简称安。当每秒通过导体横截面的电荷量为1库伦（C）时，电流为1A。电流单位从大到小可表示为 1kA=103A=106mA=109A1.2.2 电压和电动势1. 电压一个电源的两级上总是存在正、负电荷，正负电荷之间存在一个电场，若将电源正负极通过负载连接成一个闭合电路，在电场力的作用下，正电荷要从电源正极A经过负载和导线流向电源负极B（实际上是带负电的电子由负极流向正极），形成了电流，而电场力就对电荷做了功。电场力对电荷做的功就是A、B两点间的电压，用UAB表示，电压是衡量电场力做功能力的一个物理量。图3若电场力做功dW，使电荷dq经外电路由电源正极A移动到负极B，则UAB为电场力做功与路径无关，即电压与路径无关，仅取决于始末点位置。电路中任意两点的电压有确定的数值。电场力把正电荷从高电位点移到低电位点，即为电位降的方向。所以电压可以用电位表示，电位即物理学中的电势，用V表示，单位是伏特（V）。两点的电压就是这两点间的电势差，A、B两点间的电压可表示为 UAB=VA-VB国际单位制中，电压的单位是伏特（V），简称伏。当电场力把1C的电荷从一点移动到另一点所做的功为1J（焦耳）时，这两点间的电压为1V。电压单位从大到小可表示为 1kV=103V=106mV=109V2.电动势相对于电源正、负极间的外电路而言，通常把电源内部正、负极间的电路称为内电路。在电场力的作用下，正电荷源源不断地从电源正极经外电路达到电源负极，于是电源正极上的正电荷数量不断减少。要维持电流在外电路中流通并保持恒定，就要使移动到电源负极上的正电荷经过电源内部回到电源正极。电源内将单位正电荷从电源负极移到电源正极过程中非静电场力（电源力）所做的功称为电源的电动势。电源内电动势的大小，实质上反应了电源提供电能的本领大小。表达式为在电源力的作用下，电源不断将其他形式的能量转换为电能。电动势的国际单位与电压、电位一样也是伏特（V）。1.2.3电功率和电能1. 电功率电流通过电路时传输或转换电能的速率称为电功率，常用符号p表示。流过某一二端元件的电流和电压分别为i和u，如图，电路中，正电荷dq受到电场力作用，由a点运动到b点，电场力做功dW=udq。所以电路吸收的电功率为图4上式表明，任意瞬时，电路功率等于该瞬时的电压与电流的乘积。若为直流电流，电流电压固定，既有在国际单位制中，功率的单位为瓦特（W）,简称瓦。照明灯之类的电器常用瓦做单位，而电机动力设备常用千瓦做单位，在电子电路中常用毫瓦作单位。2. 电能电路在一段时间内吸收的能量为电能。如，t0到t这段时间内，电路所做的电能为对于直流电流则有国际单位制中，电能的单位是焦耳（J）。1J等于功率为1W的设备在1s内消耗的电能。电力工程中常用“度”作为单位，1度等于功率为1kW的设备在1h内消耗的电能 1kW=1033600=3.6MJ1.2.4 参考方向当电路比较复杂的时候，为得出结果前，判断该物理量的方向比较难，而进行电路计算与分析，又必须明确方向，于是我们引入“参考方向”这一概念。1. 电流的参考方向交流电流中，电流随时间变化而变化，我们任意规定某一方向为电流数值为正的方向，为电流的参考方向，它是一个任意假定的电流正方向，这样电流就变成了代数量，有正有负，这样，根据参考方向和计算结果中数值的正、负号，就可知道电流的实际方向。若计算结果的数值为正，则实际方向与参考方向一致，若计算结果的数值为负，则实际方向与参考方向相反。未规定电流参考方向的，所得电流计算结果数值的正负没有任何意义。在直流电路中，测量电流时，应根据电流的实际方向将电流表串联接入待测支路中，电流表上标注的“+”、“-”号为电流表的极性。2. 电压和电动势的参考方向与电流一样，电路图中所标的电压与电动势的方向也都是参考方向，只有在已标定参考方向后，电压和电动势的数值才有正、负之分。一般来说，在元器件或电路的两端会标注“+”、“-”号，表示正负极性，由正极指向负极的方向为电压的参考方向。3. 关联与非关联参考方向一个元器件的电压或电流的参考方向可以独立假定，若指定流过元器件的电流参考方向是由标以电压正极端指向负极端的，两者参考方向一致，则把这种参考方向称为关联参考方向，两者参考方向不一致，则为非关联参考方向。4. 电功率由于电压与电流均为代数量，因而功率也可正可负。在关联参考方向情况下，若元件功率P=UI为正值，表明该元件消耗功率；相反，若元