1.2　电路的基本物理量及应用

1.2.1　电流

（1）什么是电流

水管中的水沿着一个方向流动，我们就说水管中有水流。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1-6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。

记忆口诀

电流神速来传输，好似钢管进钢珠，

电子流动负向正，电流规定正向负。

钻研电工有兴趣，多思多想道理出，

博采电学智慧树，有了知识穷变富。

（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：

I=

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

电流的常用单位还有kA（千安）、mA（毫安）、μA（微安），其换算关系为

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

电流的实际方向有两种可能，如图1-7所示。我们规定电流的方向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。

电流参考方向的表示法有箭标法和双下标法。例如某电流的参考方向为A指向B，其表示法如图1-8所示。

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1-9所示。

记忆口诀

形成电流有规定，电荷定向之移动。

正电移动的方向，定为电流的方向。

金属导电靠电子，电子方向电流反。

（4）形成电流的条件

电场是产生电流的微观必要条件。如图1-10所示，电路中能产生持续电流必须同时具备两个条件。

① 要有电源（导体两端必须保持一定的电压）。

② 电路要闭合（形成通路）。

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）电流的种类及特点

依据电的性质划分，电流可分为直流电流与交流电流，直流电流也可以分为稳恒直流电流和脉动直流电流。稳恒直流电流、脉动直流电流和交流电流与时间的关系曲线如图1-11所示。

① 直流电流　是指方向不随时间变化的电流。直流电的正负极是固定不变的。

a.输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的2/3～1/2。

b.在电缆输电线路中，直流输电没有电容电流产生。直流输电发生故障的损失比交流输电小。

c.稳恒的直流电不产生电磁辐射。

② 交流电流　又称为交变电流，简称“交流”。一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。它的基本形式是正弦电流。交流电的正负极没有固定，在随时间交替变化，所以交流电有“频率”的概念。

单相交流电供电只需要2根导线即可。三相交流电供电至少需要3根导线，最多可用5根导线，分别是3根火线、1根零线和1根接地线。

（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 人体的安全电流　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值称为摆脱电流，交流为10mA，直流为50mA；在较短的时间内危及生命的电流值称为致命电流，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。

（7）电流的测量

直流电流的测量采用直流电流表串联在被测电路内，接线时要注意“正”“负”极性，如图1-12所示。正确接线，还要正确选择量程，估计的被测电流应为满刻度的75%左右。

（8）电流的热效应及应用

实验证明，当电流过导体时，由于自由电子的碰撞，导体的温度会升高。这是因为导体吸收的电能转换成为热能的缘故，这种现象叫做电流的热效应。

电流通过导体时所产生的热量与电流强度的平方、导体本身的电阻以及电流通过的时间成正比，这一结论称为焦耳-楞次定律，其数学表达式为

Q=I2Rt

式中　Q——电流通过导体所产生的热量，J；

I——通过导体的电流，A；

R——导体的电阻，Ω。

如果热量以卡为单位，则公式Q=I2Rt可写成

Q=0.24I2Rt=0.24Pt

此公式称为焦耳-楞次定律。其中t的单位为s（秒），R的单位是Ω（欧），I的单位是A（安），热量Q的单位是Cal（卡）。

电流的热效应在生产上有许多应用。电灯是利用电流产生的热使得灯丝达到白炽状态而发光，熔断器是利用电流产生的热使其熔断而切断电源。电流的热效应也是近代工业中的一种重要加热方式，如利用电炉炼钢、电机通电烘干等。

电流的热效应也有它不利的一面，由于构成电气设备的导线存在电阻，所有电气设备在工作时要发热，使温度升高。如果电流过大，温度升高得多就会加速绝缘体老化，甚至损坏设备。

为了保证电气设备能正常工作，各种设备都规定了限额，如额定电流、额定电压和额定电功率等。电气设备的额定值通常用下标“e”表示，如I_e、U_e、P_e等，各种电气设备的铭牌上都有标注它们的数值。

（9）电流的趋肤效应及应用

① 趋肤效应　当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导线内部实际上电流较小，如图1-13所示。其结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加，这一现象称为趋肤效应。

② 趋肤效应的应用　在高频电路中可用空心铜导线代替实心铜导线以节约铜材。架空输电线中心部分改用抗拉强度大的钢丝。虽然其电阻率大一些，但是并不影响输电性能，又可增大输电线的抗拉强度。利用趋肤效应还可对金属表面淬火，使某些钢件表皮坚硬、耐磨，而内部却有一定柔性，防止钢件脆裂。

（10）电流的化学效应及应用

电流通过导电的液体会使液体发生化学变化，产生新的物质，电流的这种效果叫做电流的化学效应。如电解、电镀、电离等就属于电流的化学效应的例子，如图1-14所示为水的电解。

（11）电流的磁效应及应用

给绕在软铁芯周围的导体通电，软铁芯就产生磁性，这种现象就是电流的磁效应。如电铃、蜂鸣器、电磁扬声器等都是利用电流的磁效应制成的，如图1-15所示为电铃的结构示意图。