电压、电流参考方向在电路分析中的重要性

摘要：电压、电流是《电路分析》课程中两个最基本的物理量，在分析和计算电路问题时预先并不知道电路中实际的电压、电流方向，为此经常用到电压、电流的参考方向。电压、电流参考方向是贯穿电路学习的重要内容。

关键词：电压；电流；参考方向；重要性

中图分类号：TM133 文献标识码：A

电压、电流的方向是客观存在的，但在分析较为复杂的直流电路时，事先不能准确判断各支路中电流的实际方向；对于交流电流讲，其方向随时间而变，无法用一个明确的方向来表示它的实际方向。电压、电流的参考方向，是《电路分析》课程中一个非常重要的概念。根据电压、电流参考方向可以确定电阻元件的伏安关系；电压、电流参考方向应用于支路电流法中可求解支路电流；电压、电流参考方向能体现电路元件功率的物理意义。所以电压、电流参考方向是研究、分析一切电路问题的开门斧，贯穿于整个电路学习的始终。

一、根据电压、电流参考方向确定电阻元件的伏安关系

在分析与计算电路时，常可以任意选定某一方向作为电流正方向或称为参考方向。所选的电流参考方向并不一定与电流的实际方向一致，当电流的实际方向与其参考方向一致时，电流为正值；反之，当电流的实际方向与其参考方向相反时，电流为负值。

图1 电阻元件端电压与电流之间关系

如图1（a）所示，先规定电阻元件端电压（虚线所示）、电流参考方向。当电压和电流的参考方向一致时，电阻元件端电压与电流之间符合欧姆定律 ，U > 0时，则 I > 0，说明电路中电流实际方向与参考方向一致。如图1（b）所示，当电压、电流的参考方向选得相反时，则电压、电流之间满足 ，在这种情况下，若 U > 0，则I < 0（反之U < 0，则I > 0），说明电路中电流的实际方向与参考方向相反。

以上说明，只有在规定了U、I参考方向的前提下，电阻元件端电压、电流之间的关系才能确定，才能正确地反映电路中电压、电流的实际情况。

对于电压的参考方向，也可以任意选定，它与电流参考方向的选定本来是无关的，但是为了方便起见，在外电路中常常使电压和电流两者的参考方向一致，称之为关联参考方向，一般在电路图中只标出电流的参考方向即可将电压、电流的参考方向一并表示。

二、电压、电流参考方向在支路电流法中的应用

在用支路电流法分析电路时，需要经常列写KVL、KCL方程。例如在图2所示电路中，已知Us1=20V，Us2=10V，R1=5Ω，R2=10Ω，R3=20Ω，试求各支路电流。

按照支路电流法求解电路的方法，①首先应明确电路中有三条支路、2个节点、2个网孔。然后标出各支路电流的参考方向和网孔的回路绕行方向（可任意选定）。②用KCL任选1个节点列出节点电流方程。③用KVL列出2个独立的回路电压方程。④将上述方程组成方程组，联立求解出各支路电流。

依照上述方法，对节点1： ...................①

对网孔 I： ..................②

对网孔II： .................③

将已知数据代入方程组解得：I1= A，I2= A，I3= A，I2为负值，表明I2的实际方向与所选参考方向相反。如果I2的参考方向选择为向下，即由节点①指向节点0，那么方程为：

对节点①： ......................①

对网孔 I： .....................②

对网孔II： .................③

将已知数据代入方程组解得：I1= A，I2= A，I3= A，I2为正值，表明实际方向与参考方向相同，电流的大小并未改变，只是方向改变了。

三、电压、电流参考方向体现电路元件功率的物理意义

直流电路中元件功率的物理意义，主要是以消耗（或吸收）功率，或是产生（或释放）功率来解释的。

如在图2电路中，电压源US1和US2的功率分别为：

从上面的计算可以看出，由于电压源US1中电流的实际方向是从电源负极流向电源正极的，其功率Ps1= - W为产生功率，Us1为供能元件。而电压源US2中电流的实际方向是从电源正极流向电源负极的， 该元件不再是电源，而是作为负载使用，Ps2= W為消耗功率，Us2为耗能元件。而且在一个电路中，电源产生的功率和负载取用的功率及内阻消耗的功率是平衡的。

元件功率的物理意义，实质上是由元件电压、电流实际方向所决定的。但

电流实际方向很难判断，尤其遇到复杂电路时，就更不容易。如用电压、电流参考方向来说明，结果一目了然。即U、I参考方向一致时， ；U、I参考方向相反， 。若计算结果P < 0则为产生功率，为供能元件；若P > 0则为消耗功率，为耗能元件。

综合上述内容，集中体现了电压、电流参考方向在分析电路问题时的重要作用。只有充分理解和正确掌握电压、电流参考方向这一内容，才能更好地掌握电路理论，更好地培养分析问题解决问题的能力。

参考文献；

[1] 曹才开、郭瑞平.电路分析基础.[M].清华大学出版社，2009.

[2] 邱关源.电路第4版[M].高等教育出版社，2002.

[3] 秦曾煌.电工学第7版[M].高等教育出版社，2009.

作者简介：智建华（1969—），女，西安科技大学电气工程硕士，高级讲师 ，国家注册安全工程师，国家注册安全评价师，维修电工技师。主要从事《电路分析》、《电机与拖动》、《电工学》及《工厂供电》等课程的教学与研究。