关于电路工作状态的几个物理量描述

1.电流

电荷的定向运动形成电流，习惯上将正电荷运动的方向规定为电流的流动方向。计量电流大小的物理量称为电流强度，简称电流，用I来表示。

电流的定义为：单位时间内通过导体横截面的电量。如果任一瞬间，通过导体横截面的电量是大小和方向均不随时间变化的Q，则电流I的表达式为

根据国家标准，不随时间变化的物理量用大写字母来表示，随时间变化的物理量用小写字母来表示，所以，式（1-1）就是直流电流的表达式，交流电流的表达式为

在国际单位制（SI）中，电流的单位为安培，简称安（A）。大型电力变压器中的电流可达几百到上千安培，而晶体管电路中的电流往往只有千分之几安培，对于很小的电流可用毫安（mA）或微安（μA）来计量，它们之间的换算关系为

1A=10³mA=10⁶μA

2.电压

根据物理学课程的知识可知，电荷在电场中移动时，电场力将对电荷做功。为了描述电场力对电荷做功能力的大小，引入物理量电压的概念。

电场中a、b两点间电压U_ab的定义为：U_ab在数值上等于把单位正电荷从a点移到b点时，电场力所做的功。电压的定义式为

电压也常写成电位差的形式，即

U_ab=U_a-U_b （1-4）

式中，U_a和U_b分别表示电场中a、b两点对零电压点的电压，当U_ab大于零时，说明a点的电压比b点高，当U_ab小于零时，说明a点的电压比b点低。

在电路分析基础课程中，通常将处在高电压的a端用“+”号来表示，而用“-”号来表示处在低电压的b端，电压的方向是由高电压点指向低电压点。即由a指向b，如图1-4所示。

随时间变化的电压表达式为

在国际单位制中，电压的单位为伏特（V），简称伏。1V电压在数值上等于将1C的正电荷从a点移到b点，电场力做了1J的功。

3.电动势

电动势是表征电源特征的物理量。在图1-4中，正电荷在电场力的作用下，从高电压的a点经过负载（灯泡）向低电压的b点移动，形成电流I。正电荷由a移到b时，就要与b极板上的负电荷中和，使两极板上的电荷逐渐减少，两极板间的电场也逐步减小，相应的电流也将逐渐减小到中断。为了使电路中的电流能够持续不断，在a、b两极板之间必须有一种非电场力，该力可以将正电荷从低电压点的b极板通过电源内部推向高电压点的a极板，使a、b两电极间始终保持一定的电压，电源是靠非电场力来完成这个任务的。

在图1-4中，电源是一个电池，其内部化学反应所产生的非电场力将正电荷从低电压点的b电极，通过电源内部推向高电压点的a电极，并在电源内部建立起电场，使电源的正、负两极维持一定的电压。

非静电力在电源内部不断地把正电荷从低电压点移向高电压点就要克服电场力做功，电源的电动势就是表征电源内部非静电力对电荷做功能力大小的物理量，用符号E来表示。

综上所述，电源的电动势在数值上等于非静电力把单位正电荷从电源的低电压点b经电源内部移到高电压点a时所做的功，用公式表示为

图1-4 电压和电动势方向的示意图

式中，Q是电源内部由非静电力移动的电量；W是非静电力所做的功。比较式（1-4）与式（1-6）可见，电动势与电压具有相同的量纲，所以，电动势和电压具有相同的单位———伏特（V）。电动势与电压虽然单位相同，但两者的物理概念却不同。

电动势是描述电源的非电场力对电荷做功能力大小的物理量。在电源内部，非静电力将正电荷从电源负极移到正极做功，将非电能转化为电能。电动势的作用是使正电荷获得电能而电压升高，所以，电动势的实际方向是从电源内部的负极指向电源的正极，即电压升高的方向。(www.xing528.com)

电压是描述电源的电场力对电荷做功能力大小的物理量，在电源外部，电场力将正电荷从电源正极移到负极做功，将电能转化为其他形式的能量。电压的作用是使正电荷的电压降低，对外做功，所以，电压的实际方向是从电源的正极指向负极，即电压降低的方向。电源电动势和电压的实际方向刚好相反。

综合图1-4可得，在电源内部非静电力做功，将非电能转化为电能，并建立电动势以维持电源两极板间的电压保持不变；而在外电路中，电场力做功，负载将电能转化为非电能。由于电源两极间存在着电压，只要电路一接通，电流就持续不断。在电源内部，由于电动势的作用使电流从负极流向正极，即从低电压点流向高电压点；而在外电路中，因电压的作用，电流从高电压点流向低电压点，即电压降低的方向。

4.电位

电位又称电势，它是描述电场中某一点与零电位参考点之间电位差的物理量。计算电场中某一点（例如a点）电位的方法是：先指定电场中的一个点（例如b点）为参考点，用符号来表示，并规定参考点的电位为零。电路中任一点与参考点之间的电压就是该点的电位。

电位是电路分析课程的重要概念，在电路分析基础课程中，常用电位的概念来分析电路中元器件的工作状态。应用电位的概念还可以简化电路图的画法，以便于分析计算，如图1-5所示。

图1-5a是电路的经典画法，也是大家比较熟悉的画法；图1-5b是以b点为零电位点的画法。图1-5b的画法是后续课程中常用的画法，要熟悉这种画法，并掌握这两种画法之间的转换关系，并记住图1-5b的正电位点与接地点之间接有电压源，构成电流的通路。

图1-5 同一个电路不同的画法

5.电荷

电荷是物质的一种属性。它描述了带电荷的物体具有吸引轻小物体的性质。电荷在电路与电子学基础课程中用符号Q来表示。某带电体在t时刻所带的电荷量q（t）为

电路中用来储存电荷的容器称为电容器，根据物理课程的知识已知，电容器由电介质隔开的两金属电极片组成，电容器在电路中常用的符号是。

表征电容器性质的物理量称为电容器的电容，用字母C来表示。电容C的定义为：电容器上所储存的电荷量Q与两极板的电位差U_ab之比，即

电容在国际单位制中的单位为法拉，简称法（F），法拉的单位太大了，在电路与电子学基础课程中常接触到的电容单位为微法（μF）和皮法（pF），它们之间的换算关系为

1F=10⁶μF=10¹²pF

电容器在电路中是一个储能元件，电容器内所储存的电能W_C为

式中，U是电容器两极板之间的电压。

6.电感

根据物理学课程的知识已知，将导线绕制成N匝螺线管，就构成一个电感线圈。没有铁磁物质的线圈称为线性电感线圈，线性电感线圈在电路中常用的符号是。

当线圈中通有电流I时，线圈内部就会产生磁通Φ。对于N匝线圈，乘积NΦ称为线圈的磁通匝链数，简称磁链，用字母Ψ来表示。实验表明，线性电感线圈的磁链Ψ与流过线圈中的电流I成正比的关系，其比值为

式中，L称为线圈的自感系数，简称电感。它是表征线圈性质的物理量，表示单位电流在线圈中所产生磁链数的大小。在国际单位制中，电感的单位是亨利，简称亨（H）。在电路分析基础课程中经常接触到的电感单位是毫亨（mH）、微亨（_μH），它们之间的换算关系为

1H=10³mH=10⁶μH

电感线圈在电路中也是一个储能元件，电感线圈内所储存的电能W_L为