电路的组成及基本物理量

电路的组成及基本物理量    电路，简单地说就是电流流通的路径。它是由某些电气设备、元件按一定方式用导线联结而成的。电路的作用是实现能量的输送与转换或者信号的传递和处理。组成电路的元器件及其联结方式虽然多种多样，但都包含电源(信号源)、负载和中间环节这三个基本组成部分。
    电源是将其他形式能量转换为电能的装置，如蓄电池、发电机和信号源。它们可将化学能、机械能、水能、原子能等能量转换为电能。
    负载是将电能转换成非电形态能量的用电设备，如电动机、照明灯、电炉等。它们可将电能转换成机械能、光能和热能。
    中间环节包括联结导线、控制开关和保护装置等，主要起传输、控制、分配与保护作用。
    例如，手电筒这种最简单的电路就由这三部分构成，电池是电源部分，灯珠就是负载，手电筒的金属外壳和按键就是中间环节。
    再举一个常见的例子——扩音机，其电路示意图如图1-1所示。先由话筒把语言或音乐(通常称为信息)转换为相应的电压和电流，它们就是电信号。而后通过电路传递到扬声器，把电信号还原为语言或音乐。由于话筒输出的电信号比较微弱，不足以推动扬声器发音，因此中间还要用放大器来放大。在图1-1中，话筒是输出信号的设备，称为信号源，相当于电源，但与上述的发电机、电池等电源不同，信号源输出的电信号(电压和电流)的变化规律取决于所加的信息。扬声器是接受和转换信号的设备，也就是负载。

                                                  图1-1 扩音机电路示意图
     电路的基本物理量及其参考方向：电路中涉及的物理量主要有电流、电压、电动势、电位和功率，在进行电路的分析和计算时，需要知道电压和电流的方向。关于电压和电流的方向，有实际方向和参考方向之分，要加以区别。

一、电流

    电流是由带电粒子有规则的定向运动而形成的。其大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。随时间而变化的电流是交流电，用小写字母i表示；不随时间而变化的电流是直流电，用大写字母I表示。
    在国际单位制中，电流这个物理量的单位是安培(库仑/秒)，简称“安”，用大写字母“A”表示。另外还有毫安(mA)、微安(μA)，它们的换算关系如下。

    既然电流是由带电粒子有规则的定向运动而形成的，那么电流就是一个既有大小，又有方向的物理量。
    我们习惯上规定正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向为电流的实际方向。
    因为电流的实际方向可能是未知的，也可能是随时间变动的，所以有必要指定电流的参考方向。图1-2表示一个电路的一部分，其中的长方框表示一个二端元件。流过这个元件的电流为i，其实际方向或是由A到B，或是由B到A。在该图中用实线箭头表示电流的参考方向，它不一定就是电流的实际方向。如果电流i的实际方向是由A到B，如图 1-2(a)中虚线箭头所示，它与参考方向一致，则电流为正值，即i>0。在图1-2(b)中，指定电流的参考方向自B到A(见实线箭头)，如果电流的实际方向是由A到B(见虚线箭头)，两者不一致，故电流为负值，即i<0。这样，在指定的电流参考方向下，电流值的正和负就可以反映出电流的实际方向。 

                                                     图1-2 电流的参考方向
    所以，在今后分析与计算电路时，都要在电路中标出有关支路电流的参考方向。这样，最后计算出来的电流值的正负才有意义。

二、电压与电动势

    电压这个物理量，是用来表示电场力移动电荷做功本领的。a、b两点之间的电压U_ab，在数值上就等于电场力将单位正电荷从a点移到b点所做的功。
    电动势是用来表示电源移动电荷做功本领的物理量。电源的电动势 ，在数值上等于电源把单位正电荷从负极b(低电位)经由电源内部移到电源的正极a(高电位)所做的功。电源的符号如图 1-3所示。在国际单位制中，电压和电动势的单位都是伏特(焦耳/库仑)，简称“伏”，用大写字母“V”表示。另外还有千伏(kV)、毫伏(mV)和微伏(μV)，它们的换算关系如下。
                                                        1 V=10^３mV=10^６μV

                                                          图1-3 关联参考方向
    电压的实际方向规定为由高电位(“+”极性)端指向低电位(“-”极性)端，即为电位降低的方向。电源电动势的实际方向规定为在电池内部由低电位(“-”极性)端指向高电位(“+”极性)端，即为电位升高的方向。和电流一样，在较为复杂的电路中，我们也往往无法先确定它们的实际方向(或者极性)。因此，在电路图上所标出的也都是电动势和电压的参考方向。若参考方向与实际方向一致，则其值为正；若参考方向与实际方向相反，则其值为负。
    原则上参考方向是可以任意选择的，但是在分析某一个电路元件的电压与电流的关系时，需要将它们联系起来选择，这样设定的参考方向称为关联参考方向。今后在单独分析电源或负载的电压与电流关系时，选用图1-3所示的关联参考方向，其中负载中电流的参考方向是由电压参考方向所假定的由高电位流向低电位的，符合这一规定的参考方向称为关联参考正方向。电源中电压的参考方向与电动势参考方向相反，电流的参考方向是由电压或电动势的参考方向所假定的由低电位经电源内部流向高电位的。

三、电位

    在分析和计算电路时，特别是在电子技术中，常常将电路中的某一点选作参考点，并规定其电位为零。于是电路中其他任何一点与参考点之间的电压便是该点的电位。在同一电路中，由于参考点选得不同，各点的电位值会随着改变，但是任意两点之间的电压值是不变的。所以各点的电位高低是相对的，而两点间的电压值是绝对的。

    原则上，参考点可以任意选择，但为了统一起见，工程上常选大地为参考点。机壳需要接地的设备，可以把机壳选作电位的参考点。有些电子设备，机壳虽不一定接地，但为分析方便起见，可以把它们当中元件汇集的公共端或公共线选作参考点，也称为“地”，在电路图中用“⊥”表示。
    【例1-1】 求图1-4所示电路中开关S闭合和断开两种情况下a、b、c三点的电位。
　

图1-4 例1-1的图

    解：当开关S闭合时，U_a= 6V，U_b=-3V，U_c=0V。当开关S断开时，a点的电位不变U_a=6V。因为电路中无电流流过电阻R，U_b=U_a= 6V。c点的电位比b点电位高3V，U_c=6+3 =9V。
    在电路的分析和计算中，功率的计算是十分重要的。这是因为一方面电路在工作状态下总伴随有电能与其他形式能量的相互交换；另一方面，电气设备、电路部件本身都有功率的限制，在使用时要注意其电流值或电压值是否超过额定值，超载会使设备或部件损坏，或不能正常工作。功率是能量转换的速率，电路中任何元件的功率P，都可用元件的端电压U和其中的电流I相乘求得。不过，在写表达式求解功率时，要注意U与I的参考方向是否一致。

    若U与I的参考方向一致，则P=UI                                     (1)

    若U与I的参考方向相反，则P=UI                                     (2)

    另外，U和I的值还有正负之分。当把U和I的值代入上列两式去计算后，所得的功率也会有正负的不同。功率的正负表示了元件在电路中的作用不同。若功率为正值，则表明该元件在电路中是负载，将电能转换成了其他的能量，电流流过该元件时是电场力做功；若功率是负值时，则表明该元件在电路中是电源，将其他形式的能量转换成电能，电流流过该元件时是电源力做功。

    在图1-5中，已知某元件两端的电压U为5V，A点电位高于B点电位，电流I的实际方向为自A点到B点，其值为2A，在图1-5(a)中U和I为关联参考方向，U、I表示电压和电流，功率P=5×2=10W为正值，此元件吸收的功率为10 W。如果指定的U和I的参考方向为非关联参考方向，如图1-5(b)所示，则此时U=5V，I=2A，功率P=UI=(5)×2=10W，所以此元件还是吸收了10 W的功率，与图1-5(a)求得的结果一致。

　

                                                       图1-5  元件的功率
    在同一个电路中，发出的功率和吸收的功率在数值上是相等的，这就是电路的功率平衡。
    在国际单位中，功率的单位是瓦特(焦耳/秒)，简称“瓦”，用大写字母“W”表示，还有千瓦(kW)、毫瓦(mW)等单位。它们的换算关系如下。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1kW =10^３ W =10^６mW

    思考与练习
    1.求如图1-6所示的电路中开关S闭合和断开两种情况下a、b、c三点的电位。
    2.一个电源的功率，也可用其电动势E和电流I相乘求得。试说明采用此方法计算的电源功率的正负值的意义。
    3.求如图1-7所示电路中通过恒压源的电流I1、I2及其功率，并说明是起电源作用还是起负载作用。

图1-6 思考与练习1.1.1的图　　　　　　图1-7 思考与练习1.1.3的图