1.1 电路的基本概念

1.1.1 电路的组成及其作用

电路是电流流通的路径，是按一定的方式由电工、电子器件组成的总体。如手电筒是一个常见又简单的实际电路，它由电池、小灯泡、筒体及筒体开关组成。电池是提供能量的电源，是将化学能转换为电能的器件。灯泡作为负载是消耗电能的器件，它将电能转换为热能使灯丝发光。由筒体及筒体开关作为中间环节，将电池、小灯泡联接起来构成电流通路，把电源的能量传送给负载。可见，电路概括起来由电源、负载和中间环节3个部分组成。

电源是将其他形式的能量如化学能、机械能、原子能、风能及太阳能等转换成电能的装置，是电路中提供能量的部分。负载是将电能转换成非电能的装置，如电炉、电动机、各种仪器仪表和家用电器等。中间环节是将电源和负载联接成闭合电路的导线、开关及保护设备等。

电路的结构形式是多种多样的，按照电路的作用，可将其分为两大类。一类是实现电能传输和转换的电路，此类电路的典型例子是电力系统。一般电力系统包括发电厂、输变电环节和负载3个部分。在各类发电厂中，发电机分别把热能、水位能及核能等转换为电能，并通过输变电环节将电能经济、安全地输送到用户，由用户的电炉、电动机、日光灯等负载再将电能转换为其他所需的能量。由于在这一类电路中，电压一般比较高，电流比较大，所以有时也把此类电路称为强电系统。

另一类电路是实现信号传递和处理的电路，如机床电动机转速测量、计算机网络、楼宇自控系统、智能广播系统等，主要包括信号的转换、信号的放大与处理及记录显示等环节。图1.1.1所示为光电式转速测量电路原理图，主要由光敏器件、整形放大、计数控制和驱动显示等部分组成。由光敏器件将转速转换成相应的电信号，再经放大和处理电路，最终由驱动显示器显示电动机的转速。由于这一类电路所涉及的电压和电流都比较小，所以，此类电路称为弱电系统。

实际的电路是由几种电气元器件组成的。无论是最简单的手电筒电路，还是较复杂的计算机电路，它们的电气元器件所表现出来的电磁现象和能量转换的特征一般都比较复杂，而且不同的实际电路其物理现象千差万别。因此，在对实际电路进行分析和计算时，是用理想电路元件及其组合来等效代替实际电路。这种由理想电路元件组成的电路称为电路模型，简称为电路。

所谓理想电路元件，是指在一定条件下突出其主要电磁性质，忽略其次要因素，把实际器件抽象为只含一种参数的电路元件。例如，由导线绕成的线圈，在直流条件下，可不考虑其电感和匝间电容而用“电阻元件”来表征；在交流情况下，则此实际器件要用“电阻元件”和“电感元件”相串联来表征。关于电路元件的性质，将在后续部分中详细介绍。

1.1.2 电流、电压及其参考方向

电路的基本物理量是电流、电压和电动势，不论是电能的传输和转换，还是信号的传递和处理，都需要通过这些物理量来实现。本节在扼要复习电流、电压和电动势概念的基础上，引入电流和电压的参考方向，以方便电路的分析。

1.电流和电压的基本概念

1）电流

电荷的定向移动形成电流，通常用电流强度i来描述电流的强弱。电流强度定义为单位时间内通过导体任一横截面的电量。电流强度简称为电流。习惯上规定正电荷运动的方向为电流的方向（实际方向）。电流的方向是客观存在的。导体中电流的方向总是沿着电场的方向，从高电位流向低电位。

2）电压和电动势

在电场中把单位正电荷从a点移至b点，电场力所做的功定义为a、b两点的电位差，或称为a、b间的电压uab。电压的方向通常规定为由高电位（“+”极性）端指向低电位（“-”极性）端，即为电位降低的方向。

电源的电动势e在电源内部把单位正电荷由负极移至正极，系非静电力做的功。在非静电力的作用下，电源不断地把其他形式的能量转换为电能。电源的电动势是表征电源本身的特征量，与外电路的性质没有关系。电源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。

在直流电路中，电压、电流的大小方向都不随时间变化，用大写字母U和I来表示电压和电流。

2.电流和电压的参考方向

对于简单的电路，如单一回路电路，或者虽然有多个回路，但是用元件串并联的方法可化简为单回路的电路。电路中各元件两端的电压和流经各元件电流的方向可以直接判断。所以，在分析时可以不考虑它们的方向，只计算大小。

对于较为复杂的电路，很难预先判断电流或电压的实际方向，必须经过一定的分析和计算才能确定。而这些电路的计算往往需要以电流、电压为变量列出电路方程，求解电路的各变量。但是列电路方程又要依据电压、电流的方向，因此需要事先对电压和电流的方向进行假设。此外，在分析交流电路时，由于电流、电压的实际方向是随时间变化的，为了能够简洁地用一个函数或者一个波形来描述它们随时间的变化规律，也需要假设电流、电压的方向。

在图1.1.2（a）所示的电路中，如果预先不知道电流的实际方向，可以先假设电流的方向由a点指向b点，这个假设的方向就称为电流的参考方向（也称为正方向）。由于参考方向是任意选定的，它既可能与电流的实际方向相同，也可能与电流的实际方向相反。当电流的参考方向与电流的实际方向一致时，电流取正值；当电流的参考方向与实际方向相反时，电流取负值。反之，规定了某一电流的参考方向，并在此规定下求得了该电流的值（大于零或小于零），那么它的实际方向就可以由此确定。图1.1.2（a）所示的电路中，如果计算出的电流值大于零，表明电流的实际方向与电流的参考方向一致，也就是由a点指向b点；相反，如果计算出的电流值小于零，则表明电流的实际方向与参考方向相反，应由b点指向a点，如图1.1.2（b）所示的电路。可见，利用电流值并结合参考方向，就能够确定电流的实际方向。

同理，当电路两点之间电压的实际方向未知时，也可对电压的方向进行假设（电压方向用“+”、“-”标出）。只有在规定了电压的参考方向后，才能代入方程进行计算，最后再根据电压值（大于零或小于零）来确定电压的实际方向。

在以后的电路分析中，所涉及的电流、电压的方向（除非特殊说明）一般都指参考方向，电压、电流的值均为代数值。

必须指出的是，电路中的电流或电压在未表明参考方向的前提下，讨论电流或电压的正、负值是没有意义的。因此，在分析计算电路时，应首先标出电压、电流的参考方向，然后再进行分析与计算。

在电路分析中，人们一般习惯把同一元件或同一部分电路的电压和电流的参考方向取为一致，这样设定的参考方向称为关联参考方向，如图1.1.3所示。若设定电压和电流的参考方向相反，则称为非关联参考方向，如图1.1.4所示。采用关联参考方向可以在电路分析中，省去由于电流、电压正方向不一致所带来的相关麻烦，使电路的分析过程更加简洁，也不容易出错。

对电动势来说，同样也可以设定它的参考方向。但是应当注意到，电动势的实际方向是由电源的低电位指向高电位，恰好与电压的实际方向相反。

1.1.3 电路中的功率

根据物理学中的定义，电路中某一元件或某一部分电路的功率为

式中，u是此元件或这一部分电路的端电压；i是流经此元件或电路的电流。

当电压u和电流i随时间t变化时，功率p ui=也随时间变化。工程上通常关心平均功率，如果电压u和电流i是时间t的周期函数，则平均功率

式中，T是电压、电流的变化周期。在国际单位制中，功率P的单位是瓦特（W）。

对于直流电路，电压和电流都是常数，则

在对电路进行分析时，有时不仅要计算功率的大小，往往还需要确定电能的传递方向，即判断出电路中哪些元件是电源（输出功率），哪些元件是负载（吸收功率）。

图1.1.5所示的简单电路中，电源元件和负载元件，以及它们的电压、电流的实际方向都是已知的。由图可知，当元件两端电压和电流的实际方向相同时，该元件吸收功率（如负载R）；当元件两端电压和电流的实际方向相反时，该元件输出功率（如电动势E）。

在未知电压、电流实际方向的电路中，分析研究电路中的功率问题，需要依据电压和电流的参考方向。在其参考方向下，功率也是代数量。当元件两端电压和电流的参考方向关联时，元件上消耗电功率的表达式同式（1.1.3）。

当电压和电流的参考方向非关联时，则消耗电功率的表达式为

在上述两种情况下，若计算出的功率为正值，则表示该元件（或该段电路）吸收功率，在电路中的作用为负载；若为负值，则表示输出功率，其作用为电源。

需要强调指出的是，无论采用哪一种形式表示功率，在判断元件功率的性质时，其实质都是依据最终计算的结果，即电压和电流的实际方向是否一致进行判别的。若实际方向一致则为负载性质；反之则为电源性质。

【例1.1.1】某电路中蓄电池元件A的电压、电流参考方向如图1.1.6所示。若U=10V，I=-1A，试判断元件A在电路中的作用是电源（输出能量）还是负载（吸收能量）。若电流参考方向与图中所设相反，则又如何？

【解】（1）图中U、I参考方向相同，其吸收功率为

P=UI=10×(-1)=-10W ＜ 0

故元件A为电源（输出能量）。

（2）若电流参考方向与图中所设相反，则

P=-U I=-10×(-1)=10W ＞ 0

元件A为负载（吸收能量）。

【练习与思考】

1.1.1电压与电动势有何区别？对一个电源来说，它的电动势和它的端电压有何关系？它们的参考方向是否可以任意假设？

1.1.2在图1.1.7所示的电路中，试分别计算（a）、（b）图中元件A的功率，并判断是电源还是负载。