1.2　常用基本物理量及应用

1.2.1　电流

（1）什么是电流

水管中的水沿着一个方向流动，就说水管中有水流。同样，电路中的电荷沿着一个方向定向运动，就形成了电流。

在图1-1所示的电路中，当新电池装入时，灯泡能正常发光，说明电路中有电流通过；若换上电能已耗尽的无电电池时，灯泡不能发光，说明电路中没有电流通过。

如图1-4所示，当有电电池接入电路时，自由电子向电池正极（+）移动，电池的负极（-）供给电子，这样就产生了连续的电子流。我们把电荷的定向有规则移动称为电流。

在导体中，电流是由各种不同的带电粒子在电场作用下作有规则地运动形成的。

电流这个名词不仅仅表示一种物理现象，也代表一个物理量。

（2）电流的大小

电流大小取决于在一定时间内通过导体横截面电荷量的多少，一般用以下公式进行计算：

式中，电荷q的单位为C（库）；时间t的单位为s（秒）；电流I的单位为A（安）。

电流的常用单位还有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA），大家应注意它们的换算关系。如

1A=103mA=106μA

在实际运用时，电流的大小可以用安培表进行测量。注意测量前要选择好电流表的量程。

（3）电流的方向

电流的方向规定为正电荷定向运动的方向；在金属导体中，电流的方向与自由电子定向运动方向相反。

在分析与计算电路时，常常需要知道电流的分析，但有时对某段电路中电流的方向往往难以判断，可先假设一个电流方向，称为参考方向（也称为正方向）。如果计算结果电流为正值（I>0），说明电流实际方向与参考方向一致；如果计算结果为负值（I<0），表明电流的实际方向与参考方向相反。也就是说，在分析电路时，电流的参考方向可以任意假定，最后由计算结果确定，如图1-5所示。

（4）形成电流的条件

形成电流必要具备两个条件。

①要有能够自由移动的电荷——自由电荷；

②导体两端必须保持一定的电位差（即电压）。

电路中有电流通过，常常表现为热、磁、化学效应等物理现象。如灯泡发光、电饭煲发热、扬声器发出声音等。

（5）直流电流、脉动电流和交流电流

直流电流（稳恒电流）、脉动电流和交流电流与时间的关系曲线如图1-6所示，大家可以查一查这几种电流的概念，在具体应用时要注意区分这几种电流。

（6）安全电流

①负载的安全电流　为了保证电气线路的安全运行，所有线路的导线和电缆的截面都必须满足发热条件，即在任何环境温度下，当导线和电缆连续通过最大负载电流时，其线路温度都不大于最高允许温度（通常为700℃左右），这时的负载电流称为安全电流。

②人体安全电流　在特定时间内通过人体的电流，对人体不构成生命危险的电流值称为安全电流。

电流越大，致命危险越大；持续时间越长，死亡的可能性越大。能引起人感觉到的最小电流值称为感知电流，交流为1mA，直流为5mA；人触电后能自己摆脱的最大电流称为摆脱电流，交流为10mA，直流为50mA；在较短的时间内危及生命的电流称为致命，如100mA的电流通过人体1s，可足以使人致命，因此致命电流为50mA。

1.2.2　电位和电压

（1）电位

电的情况与水相同，将某一点相对于某一基准点的电的“压力”称为电位。那么，什么是电位呢？电位是指电路中某一点与某参考点（基准点）之间的电压。

这里指的某一参考点或基准点，一般为大地、电器的金属外壳或电源的负极，通常称为接地。为了分析与计算方便，一般规定参考点或基准点的电位为零，又称为零电位。

电位的符号用带下标的字母V表示，例如VA、VB。电位的单位为伏［特］，用字母V表示。

（2）电压

就如同水会从高处向较低处流一样。在电路中，任意两点之间的电位差，称为该两点间的电压。

表示电压的符号用U，单位为伏［特］，符号为V，即

U=VA-VB

电压是指电路中任意某两点之间的电位差，其大小等于电场力将正电荷由一点移动到另一点所做的功与被移动电荷电量的比值，即

式中，W的单位为J（焦耳）；电荷q的单位为C（库）；电压U的单位为V（伏）。

电压的国际单位制为伏特（V），常用的单位还有毫伏（mV）、微伏（μV）、千伏（kV）等，它们与伏特的换算关系为

1mV=10-3V；1μV=10-6V；1kV=103V

电压的大小可以用电压表测量。

（3）电压的方向

对于负载来说，规定电流流入端为电压的正端，电流流出端为电压的负端，电压的方向由正指向负。

对于电阻负载来说，没有电流就没有电压；有电流就一定有电压。电阻器两端的电压通常称为电压降。

电压的方向在电路图中有三种表示方法，如图1-7所示，这三种表示方法的意义相同。

在分析电路时往往难以确定电压的实际方向，此时可先任意假设电压的参考方向，再根据计算所得值的正、负来确定电压的实际方向。

（4）电压的种类

电压可分为直流电压和交流电压。电池的电压为直流电压，直流电压用大写字母U表示，它是通过化学反应维持电能量的。交流电压是随时间周期变化的电压，用小写字母u表示，发电厂的电压一般为交流电压。

在实际应用中提到的电压，一般是指两点之间的电位差，通常是指定电路中某一点作为参考点。在电力工程中，规定以大地作参考点，认为大地的电位等于零。如果没有特别说明，所谓某点的电压，就是指该点与大地之间的电位差。

（5）电压的等级

我国规定标准电压有许多等级。例如：安全电压有42V、36V、24V、12V、6V；照明灯用的单相电压为220V；三相电动机用的三相电压380V；城乡高压配电电压10kV和35kV；输电电压110kV和220kV，还有长距离超高压输电电压330kV和500kV。

1.2.3　电动势

（1）什么是电动势

电动势是产生和维持电路中电压的保证，电源一旦电动势耗尽，电路就会失去电压，就不再有电流产生。例如在图1-1所示的小实验中，当换上已用过的无电电池后，合上开关，灯泡不亮，就是这个道理。

电源内部的力叫做电源力，电源力在单位时间内将正电荷从电源负极移送到正极所做的功叫电动势。

（2）电动势的大小

电动势等于在电源内部电源力将单位正电荷由低电位（负极）移到高电位（正极）做的功与被移动电荷电量的比值。即

式中，W的单位为J（焦）；q的单位为C（库）；E的单位为V（伏）。

电动势是衡量电源的电源力大小（即做功本领）及其方向的物理量。

（3）电动势的方向

规定电动势方向由电源的负极（低电位）指向正极（高电位）。在电源内部，电源力移动正电荷形成电流，电流由低电位（正极）流向高电位（负极）；在电源外部电路中，电场力移动正电荷形成电流，电流由高电位（正极）流向低电位（负极），如图1-8所示。

1.2.4　电功率

（1）什么是电功率

电功率是衡量电能转化为其他形式能量快慢的物理量。平常说这个灯泡是40W，哪个灯泡60W，电饭煲750W，就是指的电功率。平时一般把电功率简称为功率。

（2）电功率的大小

电路元件或设备在单位时间内所做的功称为电功率，用符号“P”表示。计算电功率的公式为

式中，W的单位为焦耳J；t的单位为s；则P的单位为W（瓦特）。

由于用电器的电功率与其电阻有关，电功率的公式还可以写成

如图1-9所示，在相同电压下，并联接入同一电路中的25W和100W灯泡的发光亮度明显不同，这是因为100W灯泡的功率大，25W灯泡的功率小。

在日常生活中还有这样的体验，同一盏灯，在不同电压的时候发光强度不一样，如图1-10所示，这说明电功率与电压有关。

（3）电功率的单位

电功率的国际单位为瓦特（W），常用的单位还有毫瓦（mW）、千瓦（kW），它们与W的换算关系是

1mW=10-3W

1kW=103W

1.2.5　电能

（1）电能及应用

电能是自然界的一种能量形式。电能改变了人类社会，使人类社会进入了电气时代。各种用电器必须借助于电能才能正常工作，用电器工作的过程就是电能转化成其他形式能的过程。

日常生活中使用的电能主要来自其他形式能量的转换，包括水能（水力发电）、风能（风力发电）、原子能（原子能发电）、光能（太阳能）等。电能也可以转化为其他形式的能量。电能可以有线或无线的形式作远距离的传输。

电能在现代社会中的广泛应用如图1-11所示。

（2）电能的计算

在一段时间内，电场力所做功的称为电能，用符号“W”表示。

W=Pt

式中，W为电能；P为电功率；t为通电时间。

电能的单位是焦耳（J）。对于电能的单位，人们常常不用焦耳，仍用非法定计量单位“度”。焦耳和“度”的换算关系为

1度（电）=1kW·h=3.6×106J

即功率为1000W的供能或耗能元件，在1h（小时）的时间内所发出或消耗的电能量为1度（电）。