1.3 电流、电压及其参考方向

日常生活中我们都有这样的常识：当打开水龙头时若有水流出来，则水管中一定有水压；有水压但水龙头未打开时，不会有水流出来。电压与电流的关系也是如此。

照明电路如图1-7所示。若电路中有电源设备或有电源设备提供的电压，当电路中控制灯泡的开关闭合时，灯泡才会亮，这时电路中就会有电流流过灯泡，实现电能的转换；若开关断开，电路中虽然有电压，灯泡也不会亮。若电路中没有电源或没有电源提供的电压，只用导线把开关和灯泡连接起来，开关闭合时灯泡也不会亮。可见电路中存在电压是电路中形成电流的必要条件。照明电路中的插座可提供电源电压，当用电器（如电视机）通过插座接通电源时，电视机才会工作，将电能转变为声音或图像信号输出；若电源停电，即使将电视机接通电源，它也不会工作。

用电器工作时能量转换的能力与电压、电流都有关系，电压、电流的方向还影响到旋转电器的转动方向。下面讨论电流、电压及其参考方向。

1.3.1 电流及其参考方向

1.电流的定义

电荷的定向移动形成电流。单位时间内通过导体某一横截面的电量称为电流强度（电流的大小），用小写字母i表示，即

电流的大小和方向均不随时间变化的称为稳恒直流电流，简称直流（DC），用大写字母I表示，即

2.电流的单位

国际单位制（SI）中，电量Q的单位是库仑（C），时间t的单位是秒（s），电流的单位是安培（A）。较小的电流单位有毫安（m A）、微安（μA）、纳安（n A）。它们之间的换算关系是

1 A=103 m A =106 μA=109 n A

3.电流的方向

电流的实际方向规定为正电荷运动的方向。为了分析、计算电路方便，预先假定的电流方向称为电流的参考方向（或正方向）。电流的方向用双下标或在连接导线上用箭头表示，如图1-8所示。当参考方向与实际方向一致时， 0i＞ ；当参考方向与实际方向相反时， 0i＜ 。在图1-8中， i。

4.电流的分类

各种电流的波形图如图1-9所示。

5.电流的测量

电流可用电流表、、来测量。电流表的实物图及测量方法见第8章常用电工测量仪器仪表及测量技术。测量接线时将电流表串联在电路中，用电流表接通电路。直流电流表有正、负两个接线端子，正极接电路的高电位端。交流电流表的两个接线端子无正、负之分。

1.3.2 电压及其参考方向

1.电压的定义

单位正电荷在电场力的作用下从电路中的点a移动到点b，电场力所做的功称为a、b两点间的电压，即

电压的大小和方向均不随时间变化时称为稳恒直流电压，用大写字母U表示；一般电压用小写字母u表示。

2.电压的单位

在国际单位制中，电荷的单位是库仑（C），功的单位是焦耳（J），电压的单位是伏特（V）。较大的单位有千伏（k V），较小的单位有毫伏（m V）、微伏（μV），它们之间的换算换算关系是

1 k V = 103 V，1 V = 103 m V =106 μV

3.电压的方向

电位降低的方向为电压的实际方向。任意假设的电压方向称为电压的参考方向（或正方向）。当电压的实际方向与参考方向一致时，U > 0，电压为正值；当电压的实际方向与参考方向相反时，U< 0，电压为负值。

4.电压方向的表示方法

电压的参考方向可以用以下3种方法表示，如图1-10所示。

①用“+”“−”符号表示。“+”符号表示假定的高电位端，“−”符号表示假定的低电位端。电压的参考方向由“+”指向“−”。

图1-10 电压方向的表示方法

②用双下标表示。第一个字母表示假定的高电位点，第二个字母表示假定的低电位点。如uab表示电压的参考方向由a指向b。

③ 用箭头的指向来表示。电压的参考方向由假定的高电位端指向低电位端。

5.电压的测量

电压用电压表、来测量。电压表的实物图及测量方法见第8章。接线时将电压表并联在被测元件两端。直流电压表有正、负两个接线端子，正极接电路的高电位端。交流电压表的两个接线端子无正、负之分。

注意

虽然电压、电流的参考方向可任意选定，但为了分析计算方便，常将同一元件上的电流和电压的参考方向选为一致，称为关联正方向；反之为非关联正方向，如图1-11所示。

*例1-1 电路如图1-12所示，=-7V，=3A，I2=-2A，I3=5A，各电量的参考方向在图中已经标出。请问：（1）各段电路电流、电压的参考方向是否关联？（2）各段电路电流的实际方向如何？（3）AB段电压的实际方向如何？

解：（1）一个两端元件若电流从电压的正极流入，从负极流出，则电压电流为关联方向；反之为非关联方向。

由图1-12可知，U2、I2为关联方向，U3、I3为关联方向。U1、I1为非关联方向。

（2）由图1-12可知，I1、I3为正值，实际方向与参考方向一致；为负值，实际方向与参考方向相反。

（3）因为U1=-7V，由图1-12可知，的实际方向与参考方向相反，故点B的电位高，点A的电位低。AB段电压的实际方向是由点B指向点A。

1.3.3 电位

1.电位

任选电路中的任意一点o为参考点，则电路中的某点a与参考点o间的电压uao就称为点a的电位，用Va表示，单位也是伏特。

参考点的电位规定为零，故参考点又称为零电位点。

2.参考点的选择

物理学中常选无限远处或大地为参考点。

电工学中若研究的电路有接地点，就选择接地点为参考点，用符号表示。

电子线路中，常取若干导线汇集的公共点或机壳作为电位的参考点，用符号或表示。

同一电路中，若选定不同的点为参考点，则同一点的电位是不同的。因此，参考点一经确定，其余各点的电位也就确定了。

3.电压与电位的关系

电路中a、b两点间的电压等于a、b两点的电位之差，即

电位是相对的，随参考点发生变化；但任意两点间的电压是绝对的，不随参考点变化。

例1-2 电路如图1-13所示。求各点的电位及c、d间的电压。

解：如果选点b为参考点，则

如果选点d为参考点，则

由此可见，选用不同的参考点，各点电位的数值不同，但任意两点之间的电压不随参考点的改变而变化。

在电子电路中，为了简化电路的绘制，常采用电位标注法。方法是：先确定电路的电位参考点，用标明电源端极性及电位数值的方法表示电源的作用。例如，图1-14（a）所示电路用电位标注时，可简化成图1-14（b）所示的形式。

1.3.4 电动势

1.电动势

电源的作用和水泵相似，水泵不断地把低处的水抽到高处，使供水系统始终保持一定的水压；电源则不断地把负极板上的正电荷移到正极板，以保持一定的电压，这样电路中才会有持续不断的电流。要使负极板上的正电荷逆着电场力的方向返回正极板，必须有外力克服电场力做功。电源克服电场力做功（把其他形式的能转换为电能）的这种能力称为电源力。

在电源内部，电源力将单位正电荷由负极移到正极所做的功定义为电源的电动势，电动势用符号e表示。

直流电源的电动势为

电源的电动势在数值上等于电源两端的开路电压。例如，5V干电池的电动势是5V，它比1.5V的干电池转换能量的本领大。

2.电动势的图形符号

电动势的实际方向规定为电位升高的方向，即由电源的负极指向正极。在直流电路中，电压源的极性和电动势的数值一般都是已知的，通常无需规定电动势的参考方向。交流电动势参考方向自电压源的负极指向电压源的正极。一般电动势的图形符号如图1-15（a）所示，直流电动势的图形符号如图1-15（b）所示。

3.电源电动势和电压的关系

电压源对外电路的作用效果既可以用电动势表示，也可以用电压表示。如图1-16所示，电源的正、负极性已知，电压Uab的参考方向自电源的正极指向电源的负极。电动势E和电压Uab反映了同样的事实：沿电动势的方向电位升高了E伏，沿电压的方向电位降低了同样的数值，故有E=Uab。因此，对于电压源的作用效果，在很多情况下往往不用电动势表示，而是用其正、负极间的电压来表示。

1.3.5 电能、电功率

1.电能

电流所具有的能量称为电能。电能用电度表测量，电度表的实物图及测量方法见第9章照明电路配线及安装。

电动机转动、电炉发热以及电灯发光，说明电能可以转换为其他形式的能。电能转换为其他形式能的过程实际上就是电流做功的过程。电能的多少可以用电功来计量。

当用电器工作时，电度表转动并且显示电流做功的多少。显然电功的大小不仅与电压、电流的大小有关，还取决于用电时间的长短。

电流做的功称为电功，用字母W表示。

W=UIt

电功的单位是焦耳（J）。

1J=1V×1A×1s

在实际生活中，电功的实用单位是千瓦·时（k W·h），简称“度”。

1k W·h=3.6×106J

1度等于功率为1k W的用电器在1h内所消耗的电能。例如，1000W的电炉加热1h、100W的灯泡照明10h、40W的灯泡照明25h都消耗1度电。

2.电功率

（1）功率的定义。单位时间内电路吸收或发出电能的速率称为电功率，简称功率，用符号p或P表示。习惯上常把吸收或发出电能说成是吸收或发出功率。

直流情况下，P UI= 。

（2）功率的单位。在国际单位制中，功率的单位为瓦特（W）。较小的单位有毫瓦（m W），较大的单位有（k W）、兆瓦（MW）等。

1 W = 1 V×1A

功率常标注在各用电器的铭牌上，表示该用电器能量转换本领的大小。例如，10k W的电动机正常工作0.1h即可消耗1度电，100W的白炽灯照明10h也消耗1度电。因此，功率大的用电器能量转换的本领大，但消耗能量相同的用电器的功率不一定相同。

（3）功率的测量。功率用功率表测量。功率表的实物图及测量方法见第8章常用电工测量仪器仪表及测量技术中的介绍。

（4）功率正负的意义。在电路分析中，电功率有正、负之分：当一个电路元件的功率为正值时，即 0p＞ ，这个元件是负载，它吸收（消耗）功率，即从电路取用电能；当一个电路元件的功率为负值时，即 0p＜ ，这个元件起电源作用，它发出功率，即向电路提供电能。故电功率有以下两种计算公式。

当一段电路或一个元件的电流、电压参考方向关联时，p ui= ，直流时为P UI= ；

当一段电路或一个元件的电流、电压参考方向非关联时，p ui=- ，直流时为P UI=- 。

二端元件功率的计算步骤：先根据电流和电压的参考方向是否关联，选用相应的计算公式，再将电压、电流值（可正可负）代入功率的计算公式计算，若计算结果为正，表示该段电路吸收功率，为负载；若计算结果为负，则表示该段电路发出功率，为电源。

例1-3 求图1-17中各二端元件的功率，并说明各功率的性质。

解：图1-17（a）中电流、电压关联方向，因此

P=UI=5×2=10(W)

，吸收10W的功率，该元件为负载。

图1-17（b）中电流、电压关联方向，因此

P=UI=5×(-2)=-10(W)

，产生10W的功率，该元件为电源。

图1-17（c）中电流、电压非关联方向，因此

P=-UI=-5×(-2)=10(W)

，吸收10W的功率，该元件为负载。

图1-17（d）中电流、电压非关联方向，因此

P=-UI=-(-5)×(-2)=-10(W)

，产生10W的功率，该元件为电源。

提示

电阻元件的电压、电流实际方向一致，总是吸收功率。而汽车上的蓄电池在充电状态时电压、电流方向一致，吸收功率；在供电状态时电压、电流方向相反，发出功率。