本節書摘來自華章社區《簡明電路分析》一書中的第1章，第1.2節電學主要參數，作者鐘洪聲　吳　濤　孫利佳，更多章節內容可以訪問云棲社區“華章社區”公眾號查看

1.2　電學主要參數　　
電學涵蓋一切以電為研究基礎的學科，主要包含以下幾個領域：電子學、電力學、電氣學、電磁學等。電子學以載流子為基礎，探討的電流量通常較小（弱電），通過控制帶電粒子，以達到信息傳遞或儲存等目的。電力學是以探討大電流（強電）、高功率的電路為主的學科，常應用于發電、供電系統。電氣學主要研究如何以電子技術控制機械設備，如自動控制系統，包括數控機床、電力機車等。電磁學主要研究電磁波、電磁場，以及有關電荷、帶電物體的動力學等。
本書內容屬于電學的基礎知識，其中電壓和電流是電路中兩個最基本的參數，與這兩個參數密切相關的還有電荷、電功率、能量以及磁場等參數。
1.2.1　電荷
帶正負電的基本粒子稱為電荷（electric charge），用符號“q”表示，單位庫［侖］（C），帶正電的粒子叫正電荷，帶負電的粒子叫負電荷。常將“帶電粒子”稱為電荷，但電荷本身并非“粒子”，只是常將它看做粒子以方便描述。電荷是物質、原子或電子等所帶的電量，也可稱為電荷量。帶電粒子種類繁多，既可以是帶負電的電子、帶正電的質子、溶液中的離子，還可以是半導體材料中的空穴或自由電子等。
任何帶電體所帶電量總是等于某一個最小電量的整數倍，這個最小電量叫做基本電荷，也稱元電荷，用“e”表示，它等于一個電子所帶電量的大小，即e=1.60217733×10-19C。
電路需滿足電荷守恒定律，對于一個孤立系統，不論發生什么變化，其中所有電荷的代數和永遠保持不變。電荷守恒定律表明，如果某一區域中的電荷增加或減少了，那么必定有等量的電荷進入或離開該區域；如果在一個物理過程中產生或消失了某種符號的電荷，那么必定有等量的異號電荷同時產生或消失。
1.2.2　電流
單位時間內通過導體橫截面的電荷稱為電流（current），用符號“i”或者“I”表示，單位安［培］（A），電流的定義為i=ΔqΔt（1-3）式（1-3）中時間Δt取一定時間長度，計算的結果是平均以后的結果。當時間Δt足夠小的時候，可以借用數學上的微分來描述瞬時的結果，即i=limΔt→0ΔqΔt=dqdt（1-4）從電流的定義可以看出，要形成電流需具備兩個因素：（1）有可以自由移動的電荷，正電荷或負電荷或同時具備兩種電荷；（2）在外界因素影響下，自由電荷定向移動。前面介紹的金屬導體能夠傳遞電流，是因為金屬中含有大量的自由電子，在外加電場的作用下，自由電子能夠定向移動形成電流。
電流的大小取決于單位時間內通過導體橫截面的電荷數量，通過的電荷多，電流就大，反之電流就小。電流可能很大也可能很小，對于這種參數值，可以通過引入詞頭的方式來方便描述，比如1000A可以寫為1kA，0.000001A可以寫為1μA等，這里的符號“k”或者“μ”就是詞頭，表示一種比例系數，電學中常用的詞頭如表1-3所示。

規定正電荷移動的方向為電流的方向，稱為電流實際方向。自由電子因攜帶負電荷，其運動方向與電流實際方向相反。將大小和方向不隨時間變化的電流稱為直流電流，或恒定電流，簡稱直流（direct current,DC），一般用大寫的“I”表示。大小或方向隨時間變化的電流稱為時變電流，用小寫的“i”表示。電流的平均值為0的周期變化的時變電流又稱為交流（alternating current，AC）。特殊說明：本書中大寫符號表示與時間無關的參數，小寫符號表示與時間有關的參數，如時變電流既可寫為i（t），也可簡寫為i。特別地，當元件兩端的電流恒為0時，稱為開路（open circuit），也稱為斷路。

例1-1　已知圖1-10所示的二端口網絡，在0.2s時間內，從a點流入3.12×1018個電子，問：1）流入的電子從哪里流出？2）其平均電流I為多少？
解：1） a點和b點是電流流入或流出的兩個端點，根據電荷守恒定律，從a點流入的電子只能從b點流出。
2） 3.12×1018個電子攜帶的電荷量為3.12×1018×（-1.602×10-19）=-0.5C，其中負號是指電子攜帶的電荷為負電荷。根據電流的定義，得到平均電流為I=ΔqΔt=-0.50.2=-2.5A之所以稱為平均電流，是因為觀測的時間0.2s較長，計算的結果是一個對長時間物理過程平均化后的結果。如果該時間能夠縮短到一個瞬間，得到的結果為瞬時電流。
上例說明，在已知通過導體橫截面的電荷類型（正電荷或負電荷）和電荷移動方向的情況下，可以得到電流的實際方向。但是更多的情況下，對某一個電路模型，需要在不知道電荷類型和電荷移動方向情況下確定電流的實際方向。或者對于時變電流，其實際方向可能隨時間發生變化。因此，可以引入電流參考方向來解決這些問題。
所謂的電流參考方向是人為選定的電流方向，參考方向的選擇具有任意性，可以和實際方向相同或者相反。但是參考方向一旦選定后，一般不會隨意更改，此時電流參數數值中的符號具有了意義，即如果電流為“+”，則實際方向與參考方向相同；反之為“-”，則實際方向與參考方向相反。
一種直觀的電流參考方向標注是用箭頭表示，如圖1-11所示，并在箭頭附近標注電流變量i。箭頭的指向即電流參考流動方向。對于二端點元件，還可以用雙下標的方式標出，假設選定電流的參考方向是從端點a流入、端點b流出，流過的電流為iab，即用下標的第一個字母表示電流流入的端點，第二個字母表示電流流出的端點。在某一時刻，電流的實際方向只有兩種可能，從端點a流入或從端點b流入，此時如果計算出了iab，可以根據iab的符號判斷出實際電流的方向。
根據圖1-11中的電流參考方向的標注，有i=iab=-iba對于直流電流的測量，可以采用圖1-12所示的安培表，安培表也稱為電流表，理想情況下可以認為安培表的內電阻為0，通過將安培表串聯接入待測電路來完成對電流的測量。安培表的極性標注相當于電流的參考方向，安培表的讀數即所測得的電流的代數值，數值的符號表明實際電流的方向與參考方向的異同。

解：圖1-13a中，安培表的極性與元件上電流的參考方向相反，所以安培表的讀數為-I，即-5A。
圖1-13b中，安培表的極性與元件上電流的參考方向相同，所以安培表的讀數為I，即3A。
理想的安培表內阻為0，串聯入電路不會對電路造成任何影響。但如果不能忽略安培表的內阻，安培表上的讀數可能會與引入安培表前電路上的實際電流有所不同，需要考慮安培表的引入對電路的影響。
1.2.3　電壓
當電荷在電路中有序運動時，會出現能量（用“W”表示）的變化，將這種能量變化定量地描述出來，就是電壓（voltage），用符號“u”或者“U”表示，單位伏［特］（V），電壓的定義為u=limΔq→0ΔWΔq=dWdq（1-5）即將單位正電荷從a點移動到b點時電場所做的功，同電流的定義一樣，這里也采用微分的表示方式來描述無限小的單位正電荷。
電壓是推動電荷定向移動形成電流的原因，即元件兩端因電位不同所存在能量差。電位（electric potential）又稱電勢，是指單位電荷在靜電場中的某一點所具有的電勢能，用符號“v”或者“V”表示，單位同電壓一樣為伏［特］（V）。電位大小取決于電位零點（V=0）的選取，其數值只具有相對的意義。電位零點的選取具有任意性，通常選取接地端（大地或者電氣設備外殼）為電位零點，電路中用“⊥”或“”表示。
可以在電路中標出電位，如圖1-14所示，若電路中未標注電位零點，則默認接地端為電位零點。
在圖1-14a中，A點的電位VA=+5V，B點為電位零點，用“⊥”表示，即VB=0V，兩個點之間形成電位差。電位差可以是非靜電力把單位正電荷從電源的負極經過電源內部移到電源正極所做的功（也稱為電動勢能），也可以是電場力對正電荷所做的功。圖1-14b中，A點的電位VA=-5V，B點的電位VB=+5V。
電路中經常用標注電位的方式來標注直流偏置（bias），相同的直流偏置既可以用理想導線連接在一起（如圖1-15a所示），也可以僅標注出電位（如圖1-15b所示），這兩種畫法完全等同。

等電位的標注電壓的大小體現了將電荷q從A點移動到B點時，電場力所做的功W的多少，做功越多，則電壓越大。電壓的大小與路徑無關，數值上等于兩點之間的電位差。規定電壓下降的方向為電壓實際方向，所以電壓實際方向是從高電位指向低電位。
如果電壓的大小及方向都不隨時間變化，則稱為穩恒電壓或恒定電壓，簡稱為直流電壓，用大寫字母U表示。如果電壓的大小或方向隨時間變化，則稱為時變電壓，用u（t）表示，或者簡寫為u。元件兩端的電壓恒為0稱為短路（short circuit），理想導線兩端的電壓為0，因此理想導線有時又稱為短路線。
同引入電流參考方向的原因相類似，電壓也有參考方向，即任意規定一個電壓參考方向，若電壓參考方向與電壓降方向相同，電壓取正值；若電壓參考方向與電壓降方向不同，電壓取負值。一旦電壓參考方向選定后，可以通過電壓的符號來判斷電壓的實際方向。
為了避免與用箭頭標注的電流參考方向相沖突，電壓的參考方向一般不再用箭頭的形式，而是用正負號，其中“+”表示非參考電位，“-”表示參考電位，“+”到“-”圖1-16　電壓的標注方式的方向表示電壓u的參考方向也稱為電壓降的參考方向，如圖1-16所示。

1.2.4　電功率與能量
電路中的能量是度量電荷運動的一種物理量，用符號“W”表示（某些書中也用“E”表示），單位焦［耳］（J）。電路中的能量可能來自化學能的轉換，如干電池等；也可能被轉換成其他形式而消耗掉，如燈泡將電能轉化成光等；還可能是在不同的形式之間相互轉換而儲存起來，如蓄電池等。不論如何，電路中的能量滿足能量守恒定理，即能量會從一種形式轉變成另一種形式，但是總量是不變的。
電功率，簡稱功率，是描述能量交換快慢的物理量。用符號“p”或者“P”表示，單位瓦［特］（W），功率與能量之間的關系如下p=dWdt（1-6）
W(t)=∫t-∞p(τ)dτ（1-7）根據能量與時間的關系，功率可以分為瞬時功率和平均功率。瞬時功率用于描述某一時刻能量交換快慢，用p表示；平均功率用于描述一段時間內能量交換快慢的平均值，用P表示。根據能量的方向，功率可以分為吸收功率和發出功率；根據能量存在的形式，功率還可以分為消耗功率、儲存功率、產生功率和釋放功率；另外功率還可分為峰值功率、額定值功率等。
當電流的參考方向（箭頭的指向）和電壓的參考方向（“+”到“-”的方向）一致時，約定為關聯參考方向，不一致則為非關聯參考方向。對于圖1-21所示的二端口元件，其端口電壓和電流屬于關聯參考方向；而對于圖1-22所示的二端口元件，其端口電壓和電流屬于非關聯參考方向。

非關聯參考方向根據電壓、電流的定義，在關聯參考方向下，易知功率與電壓、電流的關系為p=dWdt=dWdq·dqdt=ui（1-8）當電壓、電流為關聯參考方向時，利用式（1-8）計算功率的結果若大于0，表示該元件吸收功率；如果結果小于0，表示該元件發出功率。這里的吸收功率指有能量流入元件，而發出功率指有能量流出元件。
若在非關聯參考方向下，利用式（1-8）計算的結果符號含義與關聯參考方向計算的結果正好相反，即結果大于0，表示該元件發出功率；如果結果小于0，表示該元件吸收功率。
選擇關聯參考方向或者非關聯參考方向計算出的功率的符號，就可以判斷出能量的流入流出情況。
需要說明的是，參考方向的選擇具有任意性，二者既可構成關聯參考方向，也可構成非關聯參考方向，在計算功率時需要先判斷方向，然后才能根據符號決定是吸收功率還是發出功率。為了區別吸收功率和發出功率，用下標的形式來表示功率的方向，有p吸收=-p發出（1-9）所以有，在關聯參考方向下p=p吸收=ui　　p發出=-ui（1-10）在非關聯參考方向下p=p吸收=-ui　　p發出=ui（1-11）

圖1-23所示的二端元件，已知電壓U=5V，電流I=1A，計算該二端元件發出的功率。
解：圖中電壓、電流為關聯參考方向，所以P=UI=5×1=5（W）。計算的結果為正，表明該二端元件吸收功率為5W或發出的功率為-5W。
1.2.5　磁場
磁石、磁鐵、時變電流和時變電場都會產生磁場。磁場分為恒定磁場和交變磁場兩大類。恒定磁場指大小和方向都恒定的磁場，如一個靜止永久磁體的磁場或一個電感線圈通入恒定直流電流所產生的磁場；交變磁場指大小或方向都變化的磁場，尤其是周期性變換的磁場，如一個旋轉中的永久磁體或一個電感線圈通入交變電流所產生的磁場。
磁場中用磁感應強度，即磁通密度來描述單位面積磁場的強弱分布情況，而用磁通量來定量描述磁場的大小，磁通的符號是“Φ”，單位韋伯（Wb）。磁場形成的回路有其自身的特點，感興趣的讀者可以參閱磁路的相關書籍。電路中主要考慮的是電場與磁場的相互作用，因為隨時間變化的電場產生磁場，隨時間變化的磁場產生電場，兩者互為因果，形成電磁場，使得實際電路中電場與磁場既具有內在聯系又相互依存。電場和磁場之間的關系可以由麥克斯韋方程組描述，具體內容可參考電磁場相關理論。麥克斯韋方程組本身是一組微分方程，求解起來非常困難，但是當電路的幾何尺寸遠小于工作波長，即電路滿足集總假設時，麥克斯韋方程組可以被進一步簡化，使得電路中的主要參數之間呈線性關系，易于分析。名人故事　安德烈馬里·安培（André-Marie Ampère，1775—1836，左圖），法國化學家，在電磁作用方面的研究成就卓著，對物理學及數學也有重要貢獻。電流的國際單位“安培”即以其姓氏命名。
詹姆斯·瓦特（James Watt，1736—1819，右圖），英國著名發明家，是工業革命時期的重要人物。1776年制造出第一臺有實用價值的蒸汽機，以后又經過一系列重大改進，使之成為“萬能的原動機”，在工業上得到廣泛應用。他開辟了人類利用能源新時代，標志著工業革命的開始。后人為了紀念這位偉大的發明家，把功率的單位定為“瓦特”。

總結

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