2.1 电路的组成及主要物理量

2.1.1 实际电路及其作用

在日常的生产生活中，广泛应用着各种各样的电路，它们都是实际器件按一定方式连接起来，以形成电流的通路。实际电路的种类很多，不同电路的形式和结构也各不相同。但简单电路一般都是由电源、负载、连接导线、控制和保护装置等四个部分按照一定方式连接起来的闭合回路。实际应用中的电路是多种多样的，但就其功能来说可概括为两个方面。其一，是进行能量的传输、分配与转换，如电力系统中的输电电路。其二，是实现信息的传递与处理，如收音机、电视机电路。图2-1所示为日常生活中用的手电筒电路，它也由四部分组成。

图2-1 手电筒外形与实际电路

a）手电筒实物 b）手电筒内部电路 c）手电筒结构

1.电源（干电池）

电源是电路中电能的提供者，是将其他形式的能量转化为电能的装置，图2-1中干电池是将化学能转化为电能。含有交流电源的电路叫交流电路，含有直流电源的电路叫直流电路。常见的直流电源有干电池、蓄电池、直流发电机等。

2.负载（灯泡）

负载即用电装置，它将电源供给的电能转换为其他形式的能量，图2-1中灯泡将电能转换为光能和热能。

3.控制和保护装置（开关）

控制和保护装置是用来控制电路的通断，保证电路正常工作。

4.连接导体或导线（金属外壳）

连接导体是连接电路、输送和分配电能的。

2.1.2 电路模型

根据电路的作用可分为两类：一类是用于实现电能的传输和转换；另一类是用于进行电信号的传递和处理。

根据电源提供的电流，不同电路还可以分为直流电路和交流电路两种。

综上所述，电路主要由电源、负载和传输环节等三部分组成，图2-2a所示手电筒电路即为一简单的电路组成；电源是提供电能或信号的设备，负载是消耗电能或输出信号的设备；电源与负载之间通过传输环节相连接，为了保证电路按不同的需要完成工作，在电路中还需加入适当的控制元件，如开关、主令控制器等。

某一种实际元件中在一定条件下，常忽略其他现象，只考虑起主要作用的电磁现象，也就是用理想元件来替代实际元件的模型，这种模型称之为电路元件，又称理想电路元件。

图2-2 手电筒电路与模型

a）手电筒电路 b）手电筒电路模型

用一个或几个理想电路元件构成的模型去模拟一个实际电路，模型中出现的电磁现象与实际电路中的电磁现象十分接近，这个由理想电路元件组成的电路称为电路模型。如图2-2b所示电路为手电筒电路模型。

2.1.3 电路的基本物理量

电路中的物理量主要包括电流、电压、电位、电功率和电能量等，具体见表2-1。

表2-1 电路中主要物理量的符号及单位

1.电流及其参考方向

带电质点的定向移动形成电流。

电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流的实际方向习惯上是指正电荷移动的方向。

电流分为两类：一是大小和方向均不随时间变化，称为恒定电流，简称直流，用I表示。二是大小和方向均随时间变化，称为交变电流，简称交流，用i表示。

对于直流电流，单位时间内通过导体截面的电荷量是恒定不变的，其大小为

对于交流，若在一个无限小的时间间隔dt内，通过导体横截面的电荷量为dq，则该瞬间的电流为

在国际单位制（SI）中，电流的单位是安培（A）。

在复杂电路中，电流的实际方向有时难以确定。为了便于分析计算，便引入电流参考方向的概念。

所谓电流的参考方向，就是在分析计算电路时，先任意选定某一方向，作为待求电流的方向，并根据此方向进行分析计算。若计算结果为正，说明电流的参考方向与实际方向相同；若计算结果为负，说明电流的参考方向与实际方向相反。图2-3表示了电流的参考方向（图中实线所示）与实际方向（图中虚线所示）之间的关系。

图2-3 电流参考方向与实际方向

a）i>0 b）i<0

【例2.1】如图2-4所示，电流的参考方向已标出，并已知I₁=-1A，I₂=1A，试指出电流的实际方向。

解：I₁=-1A<0，则I₁的实际方向与参考方向相反，应由点B流向点A。

I₂=1A>0，则I₂的实际方向与参考方向相同，由点B流向点A。

图2-4 例2.1图

2.电压及其参考方向

在电路中，电场力把单位正电荷（q）从a点移到b点所做的功（w）就称为a、b两点间的电压，也称电位差，记

对于直流，则为

电压的单位为伏特（V）。

电压的实际方向规定从高电位指向低电位，其方向可用箭头表示，也可用“+”“-”极性表示，如图2-5所示。若用双下标表示，如U_ab表示a指向b。显然U_ab=-U_ba。值得注意的是电压总是针对两点而言。

图2-5 电压参考方向的设定

和电流的参考方向一样，也需设定电压的参考方向。电压的参考方向也是任意选定的，当参考方向与实际方向相同时，电压值为正；反之，电压值则为负。

【例2.2】如图2-6所示，电压的参考方向已标出，并已知U₁=1V，U₂=-1V，试指出电压的实际方向。

解：U₁=1V>0，则U₁的实际方向与参考方向相同，应由A指向B。U₂=-1V<0，则U₂的实际方向与参考方向相反，应由A指向B。

图2-6 例2.2图

3.电位

在电路中任选一点作为参考点，则电路中某一点与参考点之间的电压称为该点的电位。

电位用符号V或v表示。例如A点的电位记为V_A或v_A。显然，V_A=V_AO，v_A=v_AO。

电位的单位是伏特（V）。

电路中的参考点可任意选定。当电路中有接地点时，则以地为参考点。若没有接地点时，则选择较多导线的汇集点为参考点。在电子线路中，通常以设备外壳为参考点。参考点用符号“⊥”表示。

有了电位的概念后，电压也可用电位来表示，即

因此，电压也称为电位差。

还需指出，电路中任意两点间的电压与参考点的选择无关。即对于不同的参考点，虽然各点的电位不同，但任意两点间的电压始终不变。

【例2.3】如图2-7所示的电路中，已知各元件的电压为：U₁=10V，U₂=5V，U₃=8V，U₄=-23V。若分别选B点与C点为参考点，试求电路中各点的电位。

图2-7 例2.3图

解：选B点为参考点，

则：V_B=0

V_A=U_AB=-U₁=-10V

V_C=U_CB=U₂=5V

V_D=U_DB=U₃+U₂=（8+5）V=13V

选C点为参考点，

则：V_C=0

V_A=U_AC=-U₁-U₂=（-10-5）V=-15V

V_A=U_AC=U₄+U₃=（-23+8）V=-15V

或：V_B=U_BC=-U₂=-5V

V_D=U_DC=U₃=8V

4.电动势

电源力把单位正电荷由低电位点B经电源内部移到高电位点A克服电场力所做的功，称为电源的电动势。电动势用E或e表示，即

电动势的单位也是伏特（V）。

电动势与电压的实际方向不同，电动势的方向是从低电位指向高电位，即由“-”极指向“+”极，而电压的方向则从高电位指向低电位，即由“+”极指向“-”极。此外，电动势只存在于电源的内部。

5.功率

单位时间内电场力或电源力所做的功，称为功率，用P或p表示。即

若已知元件的电压和电流，功率的表达式则为

功率的单位是瓦特（W）。

当电流、电压为关联参考方向时，式（2-8）表示元件消耗能量。若计算结果为正，说明电路确实消耗功率，为耗能元件。若计算结果为负，说明电路实际产生功率，为供能元件。

当电流、电压为非关联参考方向时，则式（2-8）表示元件产生能量。若计算结果为正，说明电路确实产生功率，为供能元件。若计算结果为负，说明电路实际消耗功率，为耗能元件。

【例2.4】（1）在图2-8a中，若电流均为2A，U₁=1V，U₂=-1V，求该两元件消耗或产生的功率。

（2）在图2-8b中，若元件产生的功率为4W，求电流I。

图2-8 例2.4图

解：（1）对图2-8a，电流、电压为关联参考方向，元件消耗的功率为P=U₁I=1×2W=2W>0

表明元件消耗功率，为负载。

对图2-8b，电流、电压为非关联参考方向，元件产生的功率为P=U₂I=（-1）×2W=-2W<0

表明元件消耗功率，为负载。

（2）因图2-8b中电流、电压为非关联参考方向，且是产生功率，故

负号表示电流的实际方向与参考方向相反。