基本电学量——电荷、电流、电压、功率和能量

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在电气和电子电路中，有五种主要的电学量用于分析电路。这些量是**电荷、电流、电压、电功率**和**电能**。在本文中，我们将详细了解这些量。

什么是电荷？

**电荷**，或简称为**荷**，是亚原子粒子（如质子和电子）的属性。电荷用符号Q或q表示，单位为**库仑 (C)**。

从技术上讲，电荷是解释材料电学行为的概念。因此，正是电荷构成了电存在的基础。电荷是电路上最基本的量。

根据**物质的电子理论**，我们知道每种材料都由称为分子的微小粒子组成，而分子又由原子组成。原子由三种基本粒子组成，即**电子、质子**和**中子**。其中，电子带负电，质子带正电，中子是中性的，即中子上没有电荷。这三种粒子称为亚原子粒子。

因此，电荷可以分为两种类型：

• **正电荷**——由质子携带

• **负电荷**——由电子携带

在自然界中，存在的**最小电荷量**是电子携带的电荷，用e表示，其值为$\mathrm{1.6 \times 10^{-19}}C$。虽然质子也携带$\mathrm{1.6 \times 10^{-19}}C$的电荷，但它是正电荷。

电荷的两个基本原理

与电荷相关的两个基本原理：

• **电荷的量子化**——根据这一理论，电荷可以以基本电荷或电子电荷的整数倍出现，即

$$\mathrm{Q=ne;\:其中，n=0,1,2,..}$$

• **电荷守恒定律**——根据这一定律，电荷既不能被创造也不能被消灭。因此，对于一个封闭系统，电荷保持恒定。

什么是电流？

**电流**定义为电荷在电场作用下定向移动。它用符号I或i表示，其中I用于表示恒定电流，i用于表示随时间变化的电流。

数学上，电荷（电子）随时间的流动速率称为**电流**，即

$$\mathrm{I=\frac{Q}{t}}$$

微分形式为：

$$\mathrm{i(t)=\frac{dq(t)}{dt}}$$

其中，Q是电荷，单位为库仑，t是时间，单位为秒。因此，电流的单位是**库仑/秒 (C/s)**。然而，在实践中，我们使用SI单位**安培 (A)**来测量电流。

电流的常规方向是从高电位点（正极）到低电位点（负极）。然而，电流的实际方向是电子流动的方向，即从负极到正极。

根据电流的定义，很明显电流是由电荷或电子的流动引起的。因此，它表现出两种基本效应，即**热效应**和**磁效应**。这意味着当电流流过导体时，它会在导体周围产生磁场并在导体中产生热量。

电流类型

根据电荷流动方向的不同，电流可分为两种类型：

• **直流电**——直流电 (DC) 是指电流仅沿一个方向流动。

• **交流电**——交流电 (AC) 是指其幅值连续变化且方向周期性变化的电流。

什么是电压？

**电压**，也称为**电势差**，是使电荷在导体中流动的电压力。电压定义为将单位电荷从电路中的一点移动到另一点所需的功或能量。它用符号V（恒定电压）和v（随时间变化的电压）表示。

$$\mathrm{电压,V=\frac{W}{Q}}$$

微分形式为：

$$\mathrm{v(t)=\frac{dw}{dq}}$$

其中，W是功，单位为焦耳(J)，Q是电荷，单位为库仑(C)。因此，电压的单位为**焦耳/库仑 (J/C)**。然而，在实践中，我们用**伏特 (V)**来测量电压。

关于电压最重要的事实是，它本身不存在于某一点，这意味着它总是相对于其他某一点进行测量的。正因为如此，电压也被称为“电势差”。在任何电路中，电压都是导致电路中电流流动的因素。

电压类型

就像电流一样，电压也分为两种类型：

• **直流电压**——直流电压是指其幅值相对于时间恒定的电压。

• **交流电压**——交流电压是指其极性相对于时间在相反方向变化的电压。

什么是电功率？

电路中能量消耗或吸收的速率称为**电功率**。换句话说，在电路中做功的速率称为**电功率**。它用P或p表示。其中，P用于表示**恒定**或**平均功率**，而p用于表示**瞬时功率**。

数学上，电功率由下式给出：

$$\mathrm{P=\frac{所做的功 (𝑊)}{时间 (𝑡)}}$$

瞬时功率由下式给出：

$$\mathrm{p(t)=\frac{dw}{dt}}$$

其中，W是功，单位为焦耳(J)，t是时间，单位为秒(s)。因此，电功率的单位为**焦耳/秒 (J/s)**。但在实践中，我们使用功率的SI单位**瓦特 (W)**。

$$\mathrm{∵dw=v(t).dq}$$

并且$$dt=\frac{dq}{i(t)}$$

$$\mathrm{∴p(t)=\frac{v(t).dq}{dq/i(t)}=v(t).i(t)}$$

因此，电功率仅仅是电路元件两端的电压与流过该元件的电流的乘积。

在任何电路中，如果电流从正极进入电路元件，从负极离开元件，则称该元件**吸收**功率。另一方面，如果电流从负极进入元件，从正极离开元件，则该元件**输出**电功率。

对于任何电路，都必须满足功率平衡方程，即

输出功率 = 吸收功率

什么是电能？

在电路中做功的能力称为**电能**。电能定义为在一定时间内电路中所做的总功或消耗的总能量。

数学上，它是通过将电功率在一定时间内积分得到的，如下所示：

$$\mathrm{w(t)=\int_{t_{1}}^{{t_{2}}}p(\tau)d\tau}$$

功率的单位为瓦特，时间的单位为秒，因此电能的单位为**瓦特秒 (W-s)**。能量也用**焦耳**来衡量。

电力公司用**瓦特小时 (Wh)**来测量用户消耗的电能，其中

$$\mathrm{1Wh = 3600\;焦耳}$$

结论

在本文中，我们讨论了电荷是电路中最基本的电学量。当这种电荷流过导电材料时，会在导体中形成电流。使电荷流动的因素是电压或电势差。除了电荷、电流和电压之外，我们还需要另外两个量“功率”和“能量”来进行实际计算。功率是电路中能量消耗的速率，而能量是在电路中一定时间内所做的总功。