【电路基础篇】：认识电流、电压、功率

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1. 对电流的理解

电流是单位时间内通过某一横截面A的总电荷。这个横截面可以是空气，等离子体或是液体中的任一截面，但是大多数情况下是固体中的一个薄片。

平均电流$I_{\text{ave}}$ 为在$\Delta t$时间内，通过某一截面的电荷量$\Delta Q$，公式为：$I_{\text{ave}}=\frac{\Delta Q}{\Delta t}$。

瞬时电流$I$ 为当$\Delta t\to 0$时，电荷通过某一截面时的变化率，公式为：$I={\lim }_{\Delta t\to 0}\frac{\Delta Q}{\Delta t}=\frac{\text{d}Q}{\text{d}t}$。

电流的单位是：库仑每秒（C/s），也称为安培（A），两者的关系是：$1\text{A}=1\text{C/s}$。

安培比较大，常用的单位有：毫安（$1\text{mA}=10^{-3}\text{A}$）、微安（$1\mu \text{A}=10^{-6}\text{A}$）和纳安（$1\text{nA}=10^{-9}\text{A}$）。

导体内（例如：铜）自由电子定向移动形成电流。单个自由电子的电荷量是：$Q_{\text{electron}}=(-e)=-1.602\times 10^{-19}\text{C}$。铜原子失去一个电子形成正电荷，单个铜离子的电荷量与单个自由电子相等，但是符号相反：$Q_{\text{proton}}=(+e)=+1.602\times 10^{-19}\text{C}$。由于导体内的铜离子和电子的数量相等，因此整个导体是中性的。

把电子流动的反方向规定为电流的方向。

当使用电子仪器时，需要考虑电流强度的大小，最好的方法是给出一个额定值。例如：一个100 W的白炽灯泡的工作电流大约是1 A；发光二极管是20 mA；连接互联网的智能手机大约是200 mA，一个低功率集成芯片的电流小于1 μA，甚至只有几皮安（pA），等等。

2. 对电压的理解

要在两点之间形成电流，必须在这两点之间加上一个电压，导体两端的电压提供一个推动导体中所有自由电子运动的电动力。

下面是一个手电筒电路原理图，当开关断开时，没有电流流通，而当开关闭合的瞬间，开关之间的电阻几乎降为零，电路中将有电流流过。电压驱动电路中所有的自由电子由电源的负极向正极移动，这时电路中产生一个与自由电子运动方向相反的电流。

灯泡是怎么发光的：灯丝中的自由电子受到外加电压的电动力而得到能量，它们把得到的能量转移给灯丝中的原子，原子在其晶格内振动而产生热和发出光（原子的价电子受到其他自由电子的激发回到较低的能量状态时就会释放光子）。

直流电压源（DC）：两端保持一个恒定的电压值，例如：电池。

电压是两点之间（如点A和点B之间）的测量值，这就是$V_{\text{AB}}$下标A B的含义，也可以用$\Delta V$表示。为了测量和给出每一点的确定电压值，需要有一个参考值，通常取电压最低的点作为参考点，并定义参考点上的电位为零。在直流电路中，选择电池的负极端为电位的参考点，并通过在电路中插入接地符号$\underline{\underline{\perp }}$标明参考点的位置。

3. 对功率的理解

功率是每秒提供给电路的能量，根据能量守恒定律，提供给电路的功率一定等于电路做的有用功和损耗的功率（如热损耗）之和。假定一个电子从电源的负极端移动到电源的正极端损失了它的所有位能，就认为这些能量全部转换成了有用功和热损耗。根据定义，功率的数学表达式为：$\text{d}W/\text{d}t$。如果用位能的表达式$U=Vq$代替$W$，认为电压是常数，可以得出以下公式：
$$P=\frac{\text{d}W}{\text{d}t}=\frac{\text{d}U}{\text{d}t}=V\frac{\text{d}q}{\text{d}t}$$
再把电流$I=\text{d}q/\text{d}t$代入到上式中，可以得到：$P=VI$。

功率公式给出了一个结论：即功率与材料的类型和电荷运动的方式无关。电功率的单位是瓦特（W），$1\text{W}=1\text{J/s}$，或用伏特和安培表示为$1\text{W}=1\text{VA}$。

功率公式可以判定任意电路在给定电压和电流情况下的功率损耗。

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