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四 电流,电压与电阻

1.电流的强弱

前面我讲到了电流.但我们注意到,电流的强弱不可能都一样.例如,同样是灯,为什么手电筒的灯光和汽车的大灯亮度不同呢?同样是放音乐,为什么耳机里的音乐不如音箱放出的音乐响亮?

原因在于,通过手电筒的电流和通过汽车大灯的电流强弱不同,通过耳机的电流和通过音箱的电流强弱也不同.

于是我们规定一个物理量:电流,用来表示电流的强弱.注意这里的电流和上篇文章中介绍的电流不是一个概念.电流的强弱用I来表示,单位是安培,符号是A.

安培
法国物理学家,在电磁作用方面的研究成就卓著,对数学和化学也有贡献.

和上面介绍过的库伦一样,比安培小的还有毫安(mA),微安(uA).1A = 10³mA = 10⁶uA

事实上,毫、微都是国际标准前缀,是国际标准委员会(ISO)制定的.具体可以参看《现代汉语词典》的附录.

从微观角度来说,电流强弱的定义是:单位时间内通过的电荷数量.因此我们有:

I - 电流 - 安培
Q - 电荷量 - 库伦
t - 时间 - 秒

以后所有的公式我都会按以上形式给出.

为了方便理解,一个比较通俗的比喻是,将电流看成水流.那么,我们有以下的比喻:

电源--自来水厂
导线--水管
用电器--水龙头
开关--闸门

那么,电流的强弱就可以看成水流的强弱.而水流的强弱就是单位时间内通过某一点的水量.

2.电压

我们会在电池上看到"1.5V,1300mAh"字样.这里的1300mAh表示1300毫安时,意思是可以以1300mA的电流放电1小时.而1.5V是什么意思?

这个1.5V表示电池的电压.

什么是电压呢?还用上面的水的比喻.

接一盆水,放在平面上.水会自己流动吗?显然不会.

怎样让水流动呢?把水盆倾斜着放.水就会开始流动.

因为此时水盆一边高一边低,水位有了一个水位差,所以水便开始流动.

以前的送水都用水塔.为什么水能源源不断地送到千家万户?因为水塔比用户家高.

水位差造成了一个水压,因此水会源源不断地从高水位流向低水位.

同样地,我们仿照水位也规定了电位的定义.具体的定义会在高中讲到.现在暂时按照水位的方式理解就好.

因为有电位差的存在,所以电会流动.这个电位差便叫做电压.和水压的定义也很类似.

具体的定义也会在高中讲到.

电位(一般叫电势)和电压的单位都是伏特,简称伏,字母是V,用U表示.这俩字母长得挺像,所以应该很好记......

伏特
意大利物理学家,因在1800年发展电池而著名.

所以说,电压是电路中形成电流的条件之一(另一个是,电路必须是处处连同的)

3.电阻

如同水管不能做的无限粗一样,导线也不可能让电流无限量无损耗地通过(暂且不考虑超导),它对电流会有一个阻碍作用.铁对电流的阻碍作用要大于铜对电流的阻碍作用.因此我们用铜做导线.

这个阻碍作用的大小叫做电阻.电阻是任何元件都有的性质.灯泡有,电动机有,导线也有.

电阻的单位是欧姆,符号是Ω,用R表示.

电阻是元件本身的一种性质.和加在它两端的电压及通过它的电流无关.

既然是性质,我们就要研究,这种性质和什么有关.

还是考虑水管.你认为是粗一点的水管对水的阻力大还是细一点的水管阻力大?明显是细一点的.

因此,横截面积越大,电阻越小

同理:如果粗细一样,长一点的水管阻力大还是短一点的大?长一点的大.

因此,长度越长,电阻越大

还有一点就是温度.温度越高电阻越大.

课外阅读 超导

上面提到,温度越高电阻越大,反之,温度越低电阻越小.假如温度低到一定程度会发生什么事情?电阻消失了.

科学家最先发现的是水银的超导现象,温度为-268.98°C.

超导的意义在于什么呢?了解了焦耳定律后就会知道,有电阻就会产生热量.这部分热量是白白流失了,一点用也没有.而且,我们的计算机还要设计复杂的散热装置就是为了把这些热量赶出去.如果电阻消失,热便不存在了,电子设备的微型化便很容易了,而且电能可以无损耗地送往千家万户,等等.

所谓的高温超导,事实上也并不高温,也许是零下100度,但比起-268.98°C已经很高了

4.电压表和电流表

有时,我们需要测量某电路中某点的电压和电流.此时我们就需要电压表和电流表.

电压表和电流表有很多相似之处.例如,都有三个接线柱和两个量程.

有同学有这样的疑惑:为什么电压表可以接在电源的两极而电流表不可以?

首先我们明确一个概念:为什么我们可以通过电压表或电流表测量通过某元件的电压或电流?我们的目的是让通过电压表/电流表的电压/电流和被测元件相同.所以,电压表要和被测用电器串联,电流表要和被测用电器并联.至于原因我将在串并联电压电流规律中讲到.因此这就决定了电压表的电阻要是无穷大(当然这不可能,一般情况下是几万欧姆),电流表是0(当然也不可能,也许是0.0001欧姆),原因我也将在电压电流规律中说到.

所以,电压表完全可以连接在电源两极,因为它有巨大的电阻.而电流表的电阻很小,所以不能接到电源两端.

如果接上会有什么后果?下篇文章我会提到.

由此我们知道了一个解题技巧:画等效电路图时,电压表看成断开的开关,电流表看成导线.这样我们可以容易地知道各个用电器的情况

5.电阻器和滑动变阻器

小笑话:物理课上,老师问小明:"你知道什么是电阻,什么是电源吗?"小明:"店主就是商店的老板,店员就是商店的伙计"

有时我们需要一个电阻大小已知的元件.这种元件叫做电阻器,简称电阻.在电路图中就是一个方块(详见电路一文).

而还有一种特殊的电阻器,它的阻值可以调节.

原理就是上面提到过的,长度越长电阻越大.具体结构请参阅八年级下册物理书.

滑动变阻器有四个接线柱.上面两个是等价的--都连接着滑片,下面的两个之间是一个长长的定值电阻.一般情况下不把导线连接到上面的两个或下面的两个.如果接到上面两个,相当于接了一根导线.接到下面两个相当于定值电阻.

用滑动变阻器可以制作一个简单的可控亮度台灯.只需把滑动变阻器和灯泡串联即可.原理我会在以后讲到.

6.习题

1.(电流的强弱)如果有一个圆柱体导体,横截面面积是2.5mm²,现在在5秒钟内通过了10库仑的电荷,请问此时的电流时多少?