2.1.1 电路中的基本描述量
电流和电压是在进行电路分析时常用来描述电路工作状态的两个物理量。例如,我们常常会说笔记本电脑主板上CPU的工作电压为1.5V、电源适配器的最大输出电流为4.74A等。下面来明确一下这两个电子线路的物理量。
1.电流的定义
电流是指电荷有规则的定向运动,如图2-3所示为电路模型。为了便于理解,可以将电流比作水流。电流虽然看不见、摸不着,但可以感觉到它在流动,电源适配器在供电时能明显地感觉到发热,这是因为电流在流动时部分转换为热能。
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图2-3 电荷流动模型图
电流可以分为直流和交流两种,有大小和方向之分。电流的大小和方向不随时间变化的叫作直流电流,大小和方向随时间变化的叫作交流电流。举例来说,笔记本电脑电源适配器输入的是交流市电,输出的是给电脑主板供电的直流电流。
可以引入电流强度的概念来描述电流的大小,将单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度。如果是水流,就是用单位时间流过河流的水流量来表示水流强度。电流通常用“ I ”来表示, I =d Q /d T ,其中 Q 表示 T 时间内流过导体的电流量,单位有安培(A)、毫安(mA)和微安( μ A)等几种。它们之间的换算关系为:1A=1 000mA,1mA=1 000 μ A。
对于电流的方向,通常规定正电荷运动的方向为电流的实际方向。这是什么意思呢?就是说电流总是从高电位流向低电位,就像水流总是从高处流向低处一样,这也是规定的电流流动的方向。图2-4中,如果 U a > U b ,就可以规定电流由a流向b,则 I ab >0,为正方向; I ba <0,为反方向。
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图2-4 电流方向示意图
2.电压的定义
可以简单地理解为,电压就是电路中某两点之间的电位差。在很多时候,我们习惯地将笔记本电脑主板公共地的电位规定为0V,电路中某点的电压就是该点电位的值。例如,USB 端口的输出电压为 5V,实际上指的是 USB 电压输出端相对主板地的电位差的值。图 2-5 中,可以简单计算一下, U a -U 地 =5V-0=5V。
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图2-5 通用USB端口供电电压
如果从电场力做功的角度来定义电压,那就是将单位正电荷从电路中的一点移动到另一点,电场力做功的大小。用数学表达式来表示就是: U =d W /d Q 。如图 2-6所示, Q 为从a点移到b点的电荷量,单位为库仑(C), W 为转移电荷 Q 所做的功,单位为焦耳(J),电压的单位为伏特(V),也可用毫伏(mV)、微伏( μ V)来表示。它们之间的换算关系为:1V=1 000mV,1mV=1 000 μ V。
![](https://bookbk.img.zhangyue01.com/group61/M00/72/29/CmQUOF-XyE-EDeXgAAAAAETxm6A683197060.jpg?v=trpczHC5&t=CmQUOF-XyE8.)
图2-6 电场力功率模型图示
通常在电路图中用“+”、“-”标出电压的参考方向, U ab = U a -U b >0,为正值; U ba = U b -U a <0,为负值。
建议读者朋友按照前面一种方式来理解电压的概念。
小知识 电功率概念
电功率的定义为单位时间内做功的大小,也就是做功的速率。为了更好地理解功率的概念,可以用某人搬运一批定量的货物来举例,如果完成搬运的时间越短,其“功率”就越大;时间越长,则“功率”越小。功率的计算公式为: P =d W /d T =(d W /d Q )×(d Q /d T )= UI = U 2 / R 。功率的单位为瓦(W)。
如图2-7所示,可以简单地算出电阻R
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消耗的功率为:
=
U
2
/
R
=100/4 000=0.025W。如果计算出电路中某器件消耗的功率为负,则可以认为此器件是释放能量的。
![](https://bookbk.img.zhangyue01.com/group61/M00/28/82/CmRabl-XyE-EVmLCAAAAABq1MDY007482355.jpg?v=Ecw-aKVp&t=CmRabl-XyE8.)
图2-7 电子元件电功率计算
小结
以上对电流、电压的定义做了简要的说明。实际上电流、电压之间还存在这样的一个关系: U = RI 。这就是大名鼎鼎的欧姆定律。其中 R 表示电阻,单位通常为欧姆(Ω)。可以这样理解这个公式:当系统电路电阻一定时,导体中流过的电流与导体两端的电压成正比;电压一定时,导体中流过的电流与导体的电阻成反比。只有导体两端存在电压差时,导体中才会产生电流。