电路中的常用物理量:电流及方向、电动势、电功率等

电路及其参考方向

在电场力作用下,电荷的定向运动就形成电流。电流是一个代数量,它定义为在单位时间内通过导体横截面的电荷量。

简单电路的简化:(左)原始电路、(右)简化电路

简单电路的简化:(左)原始电路、(右)简化电路

复杂电路模型

复杂电路模型

习惯上将正电荷的运动方向规定为电流的实际方向。而电流在电路中的一条支路上流动时,会有两种可能的流动方向,如在右图中,acdb支路中的电流,可能从a点流到b点,也可能从b点流到a点。对于复杂电路在求解之前是不知道电流在支路上实际流向的,因此在计算复杂电路时,应该先假定各条支路电流的流动方向,并用箭头表示,此假定方向称为电流的参考方向。参考方向是任意假定的,假定参考方向后就可以根据电路的定律求出各支路电流,若计算得到的电流为正值,则表明电流的实际方向与参考方向一致;若得到的电流为负值,则两者方向相反。

例如下图所示电路中,E1、E2数值用符号表示而不用具体数字表示时,电流的实际方向很难确定,但在计算之前不必考虑电流实际方向如何,只需假定电流的参考方向,例如选定图中从左到右的箭头方向,在此前提下进行计算,I=(E1-E2)/(R1+R2)得出电流值。若E1>E2,则I为正,表示实际电流流向与参考方向相同;若E1<E2,则I为负,表示实际电流流向与参考方向相反。据此就能判断出电流实际流向了。注意在选定参考方向后,在整个计算过程中绝对不能在电路图上再更改假定的参考方向。

(左)电流的参考方向与(右)直流电动势的表示方法

(左)电流的参考方向与(右)直流电动势的表示方法

在交流电路的分析计算中,也采用假定电流参考方向的方法,用正负值来表示瞬时实际电流的流向。

电工学网在电工与电子基础学习环节的电路图中如未加说明,图中所标电流方向均为参考方向。电路中在没有设定参考方向的情况下,电流的正和负是没有意义的。

电动势、电位和电压

电动势反映电源中电源力做功的能力,在数值上等于电源力把单位正电荷从电源的负极搬到正极所做的功。如果是直流电源,电动势是恒定的,用大写字母E表示;如果是交流电源,电动势是变化的,用小写字母e表示。 单位为伏特(V)。

直流电源的极性表示电动势的方向是由电源负极指向电源正极,用符号-和+表示,如上图(直流电动势的表示方法)所示。在交流电源内,如电动势的实际方向不知道时,也可假定电动势的参考方向。

电位:电场中某点的单位正电荷具有的电位能,称为该点的电位,用符号V表示,单位为伏特(V)。

在电路中,某点的电位是对电位参考点而言的,规定参考点的电位为零,并称为零电位点。电力电路中,常以大地为零电位点,用符号接地点零电位符号表示。例如电路为了安全而接地时,接地点就是零电位点。在图(直流电动势的表示方法)所示电路中,若设b点为零电位点,以Vb=0示之,则a点的电位为E,记作Va=E;反之,若设a点为零 电位点,Va=0,则b点电位Vb=-E。

在研究电子电路时,电位的概念用得很多,譬如二极管只有当阳极电位高于阴极电位时,二极管才导通;反之则截电子电路、电子设备一般都有公共的接壳点,该点亦称零电位点,但不一定是大地,用符号“丄”表示。通常就选该点作为电位参考点,即电子电路中接壳点的电位为零。

电压:电路中两点之间的电压表示单位正电荷从一点移到另点电场力所做的功,即:

电压计算公式

  • Q——电荷量,单位C;
  • W——电场力移动电荷Q所做的功,单位J;
  • U——电压,单位V;

如果电压随着时间变化,则:

电压随时间变化计算公式

电压也可以用电路中的电位差表示,若电场力做正功,电位要降低,因此电压的实际方向是从高电位点指向低电位点,即电位降的方向。电压的单位也是伏特(V)。

在复杂电路中,和电流一样,一条支路两端点的电压实际方向往往不能预先知道,因此也需要假定参考方向,经计算后若电压为正值,说明实际方向和参考方向相同;若为负值,说明两者方向相反。电压参考方向可用箭头表示,如上图(复杂电路模型)所示,或用标有起点、终点的双下标的U表示。图中支路两点的电压用Uab表示。

电功率

电路在工作时,电源和负载不断地进行着能量的转换。电源将非电能转换成电能,负载把电能转换成其他形式的能。单位时间内电源产生(或负载吸收)的电能称为电功率, 简称功率。即:

diangonglv

  • W——功或能量,单位J;
  • t——时间,单位s;
  • p——瞬时功率,单位W。

若某段电路的电压为u,流过的电流为i,则功率:p=ui。

对于直流电源,当电动势的实际方向和电流实际方向相同时,有:P=EI

  • E——电源电动势,单位V;
  • I——电路中的电流,单位A;

表示电源发出功率;若两者实际方向相反时,则P为负值,此时表示电源吸收(接受)功率,电源被充电,例如蓄电池充电时。当电源充电时,它在电路中就相当于负载。

对于直流电阻负载,当电压参考方向和电流参考方向相同时,有:P=UI 表示负载吸收功率。

在一个完整的闭合电路中,如图本文前两图所示电路,各电源发出的功率之和等于各负载消耗的功率之和,这是符合能量守恒定律的,叫做功率平衡。

 

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