电压电位电动势及其参考方向

电压、电位、电动势及其参考方向
1.电压的一般含义
金属导体中有许许多多的自由电子，在没有外加电场作用时，这些自由电子的运动时无规则的，则不能形成电流。

要使自由电子作有规则的运动必须要有外加电场，电场力使自由电子作有规则的定向运动而形成电流。

电场力移动电荷就对电荷做了功。

它所释放出来的能量转化为其他形式的能量。

为了衡量电场力对电荷做功的能力，引入电压这个物理量。

电压的定义为：电场力把单位正电荷从电路中的a 点移到b 点做的功称为a 、b 两点之间电压。

电压通常用U 表示。

设正电荷Q 由a 点移至b 点电场力做的功为ab W
则
Q
W U ab ab =
（1-3） 式中 ab W ——电场力所做的功，单位为焦耳，J ；
Q ——被移动正电荷的电量，单位为库仑，C ； ab U ——电路中a 、b 两点间的电压，单位为伏特，V 。

它的大小可以这样理解：如果1库仑正电荷从一点移到另一点所做的功为1J ，则该两点的电压为1V 。

电压的单位有：伏特（V ）、千伏（kV ）、毫伏（mV ）、微伏（μV ）。

它们之间的关系为：
3110kV V =， 3110mV V -=， 6110V V μ-=
与电流一样，把大小、方向不随时间变化的电压称为恒定电压或直流电压，用大写字母“U ”表示；把实际方向随时间变化的电压称为交表电压，用小写字母“u ”表示。

2.电位
在电路中可取任一点为参考点，如选择0点为参考点，则由某点a 到参考点0的电压u a0，称为a 点的电位，用Va 表示。

电位参考点可以任意选取，一般选择大地、设备外壳或接地点作为参考点并规定参考点电位为零。

在一个电路中，一旦参考点确定后，电路中其余各点的电位也就确定了。

电位的SI 单位也是伏特。

电压和电位的关系为：a 、b 两点之间的电压等于a 、b 两点之间的电位差，即
ab a b U V V =- （1-4）
由式（1-4）可知，如果ab U >0，当Q >0时ab W >0，电场力做正功，电荷减少能量。

所以正电荷由a 点移到b 点，即减少能量，则a 点为高电位，b 点为低电位；反之，如果增加或获得能量，则a 点为低电位，b 点为高电位。

正电荷在电路中移动时，电能的增或减反映电位的升高或降低，即电压升或电压降。

3.电压的实际方向和参考方向
（1）电压的实际方向：在一段电路上，电压的实际方向是由高电位指向低电位，即电压降的方向。

正电荷沿着这个方向移动，将减少能量，并转换为其他形式的能量。

（2）电压的参考方向。

由于在分析计算复杂电路之前，很难事先知道一段电路的实际方向。

对于交流电路，实际电压的方向是随时间不断变化的，因此有必要引入电压参考方向的概念。

在一段电路中，电压的参考方向可以任意设定，即从假定的高电位指向假定的低电位。

当电压的实际方向与参考方向一致时，电压为正值；两者相反时，电压为负值。

电压的参考方向可以用三种方法表示：
①用“+”“-”符号分别表示假定的高电位点和低电位点。

②用箭头表示，由假定的高电位点指向低电位点。

③用双下标字母表示。

如U ab表示电压参考方向从a点指向b点。

图1.6 电压参考方向
这三种方法都可以表示电压的参考方向，使用时可任选一种。

图 1.6为用“+”“-”符号表示的电压参考方向。

设定一段电路的电压参考方向后，可以根据电压的正、负值，确定这一段电路的电压实际方向。

4. 电压、电流的关联参考方向
电压参考方向的选取是任意的，与电流的参考方向无关。

但为了分析、研究方便，常采用关联参考方向，即在一段电路中，电流的参考方向是从电压参考方向的“+”极流向“—”极，也就是电流的参考方向与电压的参考方向一致。

如图 1.7所示为电压、电流的关联参考方向。

图1.7 关联参考方向图1.8 非关联参考方向
在一段电路中，当电流的参考方向是从电压参考方向的“—”极流向“+”，或电压、电流参考方向相反时，称为非关联参考方向，如图1.8所示。

1.2.3 电功率和电能
1.电功率
电源是产生电能的，当用电设备接到电源上，电场力就移到电荷形成电流并且做功，将电荷从电源获得的能量，在用电设备上转换为其他形式的能量。

这就是电流做功的过程。

为了衡量电流做功的快慢，即能量转换的快慢，引入电功率。

其定义如下：单位时间内电流做的功，称为电功率，简称功率，用字母“P”表示，即
UI t
UIt t UQ t W P ====
（1-5） 交流时写成 ui p = （1-6） 即电功率等于电压与电流的乘积。

功率的单位为瓦特，简称瓦（W ），常用的单位还有千瓦（kW ）、毫瓦（mW ）、兆瓦（MW ）。

3110kW W =， 6110MW W =， 3110mW W -=
式（1-5）仅适用于U 、I 为关联方向的情况下。

如果一个电路元件的电流和电压选取的是非关联方向，则应添加一个负号，即
P UI =- （1-7）
交流时写成 p ui =- （1-8）
在求功率时，应注意如下几点：
（1）选择公式UI P =或P UI =-时，关键要看电压U 与电流I 的参考方向是否是关联方向。

（2）公式选定后，电压U 和电流I 的代入值应包括它的正、负号。

（3）不管哪个公式计算的结果，只要功率0P >，就表明元件吸收功率，处于负载状态；若功率0P <，则表明元件发出功率，处于电源状态。

[例1.2] 指出下列各元件是发出还是吸收功率。

图1.9 例1.2图
解：A 元件中，电流和电压为关联方向，(3)260P UI A V W ==-⨯=-<，所以元件发出功率；
B 元件中，电流和电压为关联方向，(2)(2)40P UI A V W ==-⨯-=>，所以元件吸收功率；
C 元件中，电流和电压为关联方向，3130P UI A V W ==⨯=>，所以元件吸收功率；
D 元件中，电流和电压为非关联方，(1)110P UI A V W =-=-⨯=-<，所以元件发出功率。

2. 电能
上面所讲的功率是指1s 内电流所做的功，而电能是指一段时间内电流所做的功。

如果一个电路元件吸收的功率为P ，则在时间t 内，设元件吸收的电能为：
Pt W = （1-9）
代入UI P =就有
UIt W = （1-10）
若功率P 的单位为瓦（W ），时间t 的单位为秒（s ），则电能的单位为焦耳（J ）。

在电力工程中常采用千瓦•时（kW •h ）作为电能单位，也称“度”。

1度6=1 3.610kW h J =⨯。