電壓、電流參考方向在電路分析中的重要性

摘要：電壓、電流是《電路分析》課程中兩個最基本的物理量，在分析和計算電路問題時預先并不知道電路中實際的電壓、電流方向，為此經常用到電壓、電流的參考方向。電壓、電流參考方向是貫穿電路學習的重要內容。

關鍵詞：電壓；電流；參考方向；重要性

中圖分類號：TM133 文獻標識碼：A

電壓、電流的方向是客觀存在的，但在分析較為復雜的直流電路時，事先不能準確判斷各支路中電流的實際方向；對于交流電流講，其方向隨時間而變，無法用一個明確的方向來表示它的實際方向。電壓、電流的參考方向，是《電路分析》課程中一個非常重要的概念。根據電壓、電流參考方向可以確定電阻元件的伏安關系；電壓、電流參考方向應用于支路電流法中可求解支路電流；電壓、電流參考方向能體現電路元件功率的物理意義。所以電壓、電流參考方向是研究、分析一切電路問題的開門斧，貫穿于整個電路學習的始終。

一、根據電壓、電流參考方向確定電阻元件的伏安關系

在分析與計算電路時，常可以任意選定某一方向作為電流正方向或稱為參考方向。所選的電流參考方向并不一定與電流的實際方向一致，當電流的實際方向與其參考方向一致時，電流為正值；反之，當電流的實際方向與其參考方向相反時，電流為負值。

圖1 電阻元件端電壓與電流之間關系

如圖1（a）所示，先規定電阻元件端電壓（虛線所示）、電流參考方向。當電壓和電流的參考方向一致時，電阻元件端電壓與電流之間符合歐姆定律 ，U > 0時，則 I > 0，說明電路中電流實際方向與參考方向一致。如圖1（b）所示，當電壓、電流的參考方向選得相反時，則電壓、電流之間滿足 ，在這種情況下，若 U > 0，則I < 0（反之U < 0，則I > 0），說明電路中電流的實際方向與參考方向相反。

以上說明，只有在規定了U、I參考方向的前提下，電阻元件端電壓、電流之間的關系才能確定，才能正確地反映電路中電壓、電流的實際情況。

對于電壓的參考方向，也可以任意選定，它與電流參考方向的選定本來是無關的，但是為了方便起見，在外電路中常常使電壓和電流兩者的參考方向一致，稱之為關聯參考方向，一般在電路圖中只標出電流的參考方向即可將電壓、電流的參考方向一并表示。

二、電壓、電流參考方向在支路電流法中的應用

在用支路電流法分析電路時，需要經常列寫KVL、KCL方程。例如在圖2所示電路中，已知Us1=20V，Us2=10V，R1=5Ω，R2=10Ω，R3=20Ω，試求各支路電流。

按照支路電流法求解電路的方法，①首先應明確電路中有三條支路、2個節點、2個網孔。然后標出各支路電流的參考方向和網孔的回路繞行方向（可任意選定）。②用KCL任選1個節點列出節點電流方程。③用KVL列出2個獨立的回路電壓方程。④將上述方程組成方程組，聯立求解出各支路電流。

依照上述方法，對節點1： ...................①

對網孔 I： ..................②

對網孔II： .................③

將已知數據代入方程組解得：I1= A，I2= A，I3= A，I2為負值，表明I2的實際方向與所選參考方向相反。如果I2的參考方向選擇為向下，即由節點①指向節點0，那么方程為：

對節點①： ......................①

對網孔 I： .....................②

對網孔II： .................③

將已知數據代入方程組解得：I1= A，I2= A，I3= A，I2為正值，表明實際方向與參考方向相同，電流的大小并未改變，只是方向改變了。

三、電壓、電流參考方向體現電路元件功率的物理意義

直流電路中元件功率的物理意義，主要是以消耗（或吸收）功率，或是產生（或釋放）功率來解釋的。

如在圖2電路中，電壓源US1和US2的功率分別為：

從上面的計算可以看出，由于電壓源US1中電流的實際方向是從電源負極流向電源正極的，其功率Ps1= - W為產生功率，Us1為供能元件。而電壓源US2中電流的實際方向是從電源正極流向電源負極的， 該元件不再是電源，而是作為負載使用，Ps2= W為消耗功率，Us2為耗能元件。而且在一個電路中，電源產生的功率和負載取用的功率及內阻消耗的功率是平衡的。

元件功率的物理意義，實質上是由元件電壓、電流實際方向所決定的。但

電流實際方向很難判斷，尤其遇到復雜電路時，就更不容易。如用電壓、電流參考方向來說明，結果一目了然。即U、I參考方向一致時， ；U、I參考方向相反， 。若計算結果P < 0則為產生功率，為供能元件；若P > 0則為消耗功率，為耗能元件。

綜合上述內容，集中體現了電壓、電流參考方向在分析電路問題時的重要作用。只有充分理解和正確掌握電壓、電流參考方向這一內容，才能更好地掌握電路理論，更好地培養分析問題解決問題的能力。

參考文獻；

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作者簡介：智建華（1969—），女，西安科技大學電氣工程碩士，高級講師 ，國家注冊安全工程師，國家注冊安全評價師，維修電工技師。主要從事《電路分析》、《電機與拖動》、《電工學》及《工廠供電》等課程的教學與研究。