第1章　电路基础

1.1　电流和电压

1.1.1　电路中的电流

在导体的两端加上电压，导体的电子就会在电场的作用下做定向运动，形成电子流，称之为“电流”。在分析和检测电路时，规定“正电荷的移动方向为电流的正方向”。但应指出金属导体中的电流实际上是“电子”的定向运动，因而规定的电流的方向与实际电子运动的方向相反。这里可以理解为，正电荷和负电荷的运动方向是相对的。犹如火车和铁道之间的关系，如坐在火车上看铁道，好像铁道是向相反的方向运动的。电流的形成如图1-1所示。

图1-1　电流的形成

提示说明

电流的大小用“电流强度”来表示，用大写字母“I”或小写字母“i”来表示，指的是单位时间内通过导体横截面积的电荷量。若在时间t内通过导体横截面积的电荷量是Q，则电流强度可用I=Q/t计算。

如果在1s内通过导体截面积的电荷量是1C，那么导体中的电流强度为1A。电流强度的单位为安培，简称安，用字母“A”表示。根据不同的需要，还可以用千安（kA）、毫安（mA）和微安（μA）来表示。其换算关系为

1kA=1000A

1A=103mA

1A=106μA

为了方便，常常将电流强度简称“电流”，可见电流不仅表示一种物理现象，而且也代表一个物理量。

电流有直流和交流之分，如图1-2所示。

图1-2　直流和交流的波形图

1.1.2　电路中的电压

电压是表征信号能量的三个基本参数之一。在电路中，其工作状态如谐振、平衡、截止、饱和以及工作点的动态范围，通常都以电压的形式表现出来。

图1-3是电源、电气元件和开关组成的电路，图中的a和b表示电池的正极、负极。正极带正电荷，负极带负电荷。根据物理学的知识，在电池的a、b之间要产生电场，如果用导体将电池的正极和负极连接起来，则在电场的作用下，正电荷就要从正极经连接导体流向负极，这说明电场对电荷做了功。为了衡量电场力对电荷做功的能力，便引入“电压”这一物理量，用符号“U”（或“u”）表示，它在数值上等于电场力把单位正电荷从a点移动到b点所做的功。用W表示电场所做的功，q表示电荷量，则

图1-3　由电源、电气元件和开关组成的电路

提示说明

通常两点间的电压也称为两点间的电位差，即

Uab=Ua-Ub

式中，Ua表示a点的电位；Ub表示b点的电位。

电位可认为是某点与零电位点之间的电位差。在图1-3中，以b点为基准零电位，则a点相对于b点的电位为1.5V，即电池的输出电压。

所谓电压就是带正电体A与带负电体B之间的电势差。也就是说，由电引起的压力使原子内的电子移动，形成电流，该电流流动的压力就是电压。

图1-4为电压的演示模型。

图1-4　电压的演示模型

提示说明

从图1-4中可以看出，正电荷在电场的作用下从高电位向低电位流动。这样随着电池的消耗（电池内阻会增加），电能下降，正极a因此而使电位逐渐降低，其结果使a和b两电极的电位差逐渐减小，则电路中供给灯泡的电流也相应减小。

为了维持电流不断地在灯泡中流通并保持恒定，就是要使负极b上所增加的正电荷能回到正极a。但由于电场力的作用，负极b上的正电荷不能逆电场而上，因此必须要有另一种力能克服电场力而使负极b上的正电荷流向正极a，这就是电源力。充电电池就是根据这个原理开发的。电源力对电荷做功的能力通常用电动势Eba来衡量，它在数值上等于电源力把单位正电荷从电源的低电位端（负极）b经电源内部移到高电位端（正极）a所做的功，即

电压和电动势都有方向（但不是矢量），电压方向规定为由高电位端指向低电位端，即电位降低的方向；而电动势的方向规定为在电源内部由低电位端指向高电位端，即电位升高的方向，如图1-5所示。在外电路中电流的方向是从正极流向负极的。

图1-5　电压和电动势的方向

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