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abW则QWUabab=（1-3）式中abW——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；abU——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：3110kVV，3110mVV，6110VV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ua0，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ababUVV（1-4）由式（1-4）可知，如果abU0，当Q0时abW0，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Uab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UItUIttUQtWP====（1-5）交流时写成uip=（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）。3110kWW，6110MWW，3110mWW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PUI（1-7）交流时写成pui（1-8）在求功率时，应注意如下几点：（1）选择公式UIP=或PUI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)260PUIAVW，所以元件发出功率；B元件中，电流和电压为关联方向，(2)(2)40PUIAVW，所以元件吸收功率；C元件中，电流和电压为关联方向，3130PUIAVW，所以元件吸收功率；D元件中，电流和电压为非关联方，(1)110PUIAVW，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：PtW=（1-9）代入UIP=就有UItW=（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=13.610kWhJ