1.1.2 电路中的物理量及其测试
知识链接——学一学
1. 电流
电荷有规律的定向移动形成电流。金属导体中的自由电子带负电荷，在电场力的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动就形成电流；同样，电解液中的正离子带正电荷，在电场力的作用下，正离子沿着电场方向定向移动也形成电流。
电流的强弱用电流强度来表示，简称为电流，“电流”一词不仅可以表示电流的概念，也用来表示电流的大小。电流的数值等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。设在极短时间dt 内，通过导体截面的电荷量为dq，则电流为：
如果电流的大小和方向都不随时间变化，这样的电流称稳恒直流电流，用大写字母I 表示，则此时电流为：
电流的大小与方向随时间变化，这样的电流称为交流电流，用i 表示。
在国际单位制（SI）中，电流的单位是安培（A），电荷的单位是库仑（C），时间的单位是秒（s），即
1A=1C/s
在实际使用中，电流还经常用到较小的单位，如毫安（mA）、微安（μA）。
注意：直流电常用字母“DC”表示；交流电常用字母“AC”表示。
人们习惯上规定正电荷定向移动的方向为电流的正方向。
2. 电压
电压是反映电场能性质的物理量。电压的大小用电场力移动单位正电荷做功来定义，电场力将单位正电荷从一点移动到另一点所做的功越多，这两点间的电压就越大。
在电路中，电场力将单位正电荷从a点移动到b点所作的功称为a、b两点间的电压，直流电压用大写字母U表示，a、b两点间的电压表示为Uab：
式中，Uab为a、b两点间的电压。
Wab为电场力将电荷Q 从a点移动到b点所做的功。当Wab＞0时，表示电场力做正功，若移动的电荷为正电荷，即Q＞0，则Uab＞0。反之，Wab和Q不同符号时，Uab＜0。
在实际应用中，电压的单位除伏特（Ⅴ）以外，还常用到千伏（kⅤ）、毫伏（mⅤ）、微伏（μⅤ）等单位。
电压的实际方向规定为正电荷所受电场力的方向。
需要强调的是，电压是对电路中两点而言的，习惯中所说某点或某导体上的电压，实际为该点的电位（物理中所学习的电势）——该点与零电位（电势）参考点之间的电压。
通常用带双下标的字母表示某两点的电压，如Uab表示a、b两点间电压。可以证明：Uab=－Uba。
3. 电位
在电气设备的调试和维修中，常要测量各点的电位，在分析电子电路时，通常要用电位的概念来讨论问题。电场中某一点的单位正电荷所具有的电位能，称为该点的电位。电位用字母V 表示，如a点的电位表示为Va。
在电路中选一参考点，则其他点的电位就是由该点到参考点的电压。即，如果参考点为o，则a点的电位为：
电位的单位与电压的单位相同，为伏特（Ⅴ）。
参考点的电位规定为0Ⅴ，所以，又叫零电位点。其他各点的电位，比参考点电位高的电位为正，比参考点电位低的为负。参考点在电路中通常用符号“┻”表示。
在工程中常选大地作为电位参考点；在电子线路中，常选一条特定的公共点或机壳作为电位参考点。
要测量电路中某点的电位，只需用电压表测量某点到零电位参考点的电压。而计算电路中某点电位的方法是：首先确认电位参考点的位置；然后从被求点开始通过一定的路径绕到电位参考点，则该点的电位等于此路径上所有电压降的代数和。
4. 电动势
电源是将其他形式的能转化为电能的装置。例如，干电池将化学能转化为电能，具体地说，它是利用化学反应的力量将正电荷移动到电源正极、负电荷移动到电源负极，使电荷的电势能增加，从而使电源两端产生电压。
电源将其他形式的能转化为电能的能力越强，移动单位电荷时所作的功就越大，电源提供的电压也就越大。电动势是表征电源提供电能能力大小的物理量，电动势在数值上等于电源未接入电路时两端的电压。
电源把单位正电荷从电源“－”极搬运到“+”极，外力（非静电力）克服电场力所做的功，称为电源的电动势，用符号E 表示。如果被移送的电荷量表示为Q，外力（非静电力）克服电场力所作的功为W 外，则电动势E 为：
电动势的单位和电压的单位相同，为伏特（Ⅴ）。电动势的方向规定为从电源的负极经过电源内部指向电源的正极，即与电源两端电压的方向相反。
5. 电流、电压的参考方向
（1）电流、电压的参考方向
在电路的分析计算中，流过某一段电路或某一元件的电流实际方向或两端电压的实际方向往往很难确定，为了进行分析和计算电路，需要先引入电压的参考方向以及电流的参考方向概念，即先假设电流的方向和电压的方向。
为了分析计算电路，人为地指定的电压、电流方向，称为电压、电流的参考方向。
对于电路的某个电流、某两点的电压而言，它们的实际方向只有两种可能，当任意指定了一个参考方向后，实际方向要么与参考方向一致，要么与参考方向相反，实际方向与参考方向一致时，取正值；实际方向与参考方向相反时，取负值，如图1-5（a）、（b）所示，它反映电流的实际方向与参考方向的关系。
图1-5 电流实际方向与参考方向的关系
关于电流和电压的参考方向，要注意以下两点：
① 电流、电压的参考方向可以任意选定。但一经选定，在电路分析计算过程中不能改变。
② 分析电路时，一般要先标出参考方向再进行计算，在电路中，所有标注的电流、电压方向均可认为是电流、电压的参考方向，而不是指实际方向。实际方向由计算结果确定。若计算结果为正，则实际方向与参考方向一致；若计算结果为负，则实际方向与参考方向相反。
（2）电流、电压的关联参考方向
电流和电压参考方向可以任意选取，因此电流和电压参考方向可以选取为一致，也可以选取为相反方向，如图1-6所示。
图1-6 电流和电压参考方向的选择
当电流和电压的参考方向一致时，称为关联参考方向，如图1-6（a）所示。
在电流和电压选取关联参考方向时，功率为：
P=UI＞0，元件吸收功率；P=UI＜0，元件发出功率。
当电压和电流参考方向相反时，称为非关联参考方向，如图1-6（b）所示。
在电流和电压选取非关联参考方向时，功率为
P=－UI＞0，元件吸收功率；P=－UI＜0，元件发出功率。
需要指出的是，一般在分析计算电路时，电流、电压都采取关联参考方向。
6. 电功率和电能
电功率是电路分析中常用到的一个物理量。传递转换电能的速率称为电功率，简称功率，用p 或P 表示。习惯上，都把发出或吸收电能说成发出或吸收功率。功率表示为：
在SI中，功率的单位为瓦（特）（W），在实际应用中，还常用到千瓦（特）（kW），兆瓦（特）（MW）、毫瓦（特）（mW）等单位。
对图1-7所示的电路，电阻两端的电压是U，流过的电流是I，电压与电流的方向一致，则电阻吸收的功率为
图1-7 电路示意图
P=UI＞0，元件吸收功率。
P=UI＜0，元件发出功率。
电阻在t 时间内所消耗的电能W 为：
电能的SI单位是焦（耳）（J），它等于功率为1瓦的用电设备在1秒内所消耗的电能。在实际生活中还采用千瓦小时（kW·h）作为电能的单位，它等于功率为1千瓦的用电设备在1小时（3600秒）内所消耗的电能，即通常所说的1度电。1度=1kW·h=103×3600=3.6×106（J）
应用举例——练一练
例1.1如图1-8所示电路，已知E1=140Ⅴ，E2=90Ⅴ，R1=20Ω，R2=5Ω，R3=6Ω，I1=4A， I2=6A，I3=10A，试求分别以A点、B点为电位参考点时，各点的电位VA、VB、VC、VD及电压UCD。
图1-8 例1.1 图
解 以A点为电位参考点时有：
VA=0Ⅴ
VB=−I3R3=−10×6=−60（Ⅴ）
VC=I1R1=4×20=80（Ⅴ）
VD=I2R2=6×5=30（Ⅴ）
UCD=VC−VD=80−30=50（Ⅴ）
以B点为电位参考点时有：
VB=0Ⅴ
VA=I3R3=10×6=60（Ⅴ）
VC=E1=140（Ⅴ）
VD=E2=90（Ⅴ）
UCD=VC−VD=140−90=50（Ⅴ）
由此可见，电路中两点间的电压是绝对的，不随电位参考点的不同而发生变化，即电压值与电位参考点的选择无关；而电路中某一点的电位则是相对的，即电位参考点不同，该点电位值也将不同。
例1.2图1-9所示为某电路的部分电路，已知E=4Ⅴ，R=1Ω，求（1）当Uab=6Ⅴ时，I=？（2）当Uab=1Ⅴ时，I=？
图1-9 例1.2 图
解 （1）设定电路中物理量的参考方向如图1-9所示，则
I＞0表明电流的实际方向与参考方向一致。
（2）当Uab=1Ⅴ时：
I＜0表明电流的实际方向与参考方向相反。
必须注意，在计算电路的某一电流或电压时，不事先标明电压和电流的参考方向，所求得的电流和电压的符号是没有意义的。
例1.3在如图1-10所示的电路中，已知I=1A，U1=12Ⅴ，U2=8Ⅴ， U3=4Ⅴ。求各元件功率，并分析电路的功率平衡关系。
图1-10 例1.3图
解 元件A：电压U1和电流I为非关联参考方向，则
P1=－U1I=－12×1=－12（W）
P1＜0，说明元件产生12W功率，元件A为电源。
元件B：电压U2和电流I为关联参考方向，则
P2=U2I=8×1=8（W）
P2＞0，说明元件吸收8W功率，元件B为负载。
元件C：电压U3和电流I为关联参考方向，则
P3=U3I=4×1=4（W）
P3＞0，说明元件C吸收10W功率，元件C为负载。
P1+P2+P3=－12+8+4=0W，功率平衡。
实践操作——做一做
在实验线路板上连接图1-8所示电路，用万用表测量各元件的电流及电压，在测量时应注意：
（1）直流电流表的使用方法
直流电流表用于测量直流电路中的电流，指针式直流电流表使用方法如下：
① 调零。直流电流表水平放置，当指针不在零刻度时，可以用螺钉旋具轻轻调仪表的指针机械调零螺钉，使指针指在零刻度位置。
② 量程的选择。测量前要预先计算被测电流的数值，选择合适的量程，在未知电流大小时，应将量程放置在最高挡位，以免损坏仪表。测量时如指针偏转角太小，为了提高读数的准确性，再改用小量程进行测量。
③ 表头连接。测量时要把直流电流表串联到被测电路中，使电流从电流表的“+”接线端钮流入，从“−”接线端钮流出，不要接错。
④读数，根据仪表指针最后停留的位置，按指示刻度读出相对应的电流值。读数时要注意，眼、指针、镜影针三点为一线，这样读数的误差最小。
（2）直流电压表的使用方法
直流电压表用于测量直流电路中的电压。直流电压表使用方法与直流电流表的使用方法基本相同，不同之处在于表头的连接方法，测量时应把直流电压表并联到被测量元件或被测电路的两端，“+”接线端钮接在被测电路的高电位端，“－”接线端钮接在被测电路的低电位端。
问题研讨——想一想
根据上述测试结果，请思考下列问题：
（1）与已知的电流、电压或计算的电位、电压进行比较，分析产生误差的原因。
（2）如何通过测量结果求出各元件的功率及电路的总功率？
（3）如何判断两电源在电路中的作用？
（4）在分析电路时，电压、电流的参考方向能否随意改变？为什么？