我们先从水说起
图1:河流
水流
水由数不清的水分子组成,水流正是这些水分子的集体大迁徙。
图2:两个氢原子和一个氧原子构成了水分子H2O
水压
地球对水造成的引力,就是水压的来源。高处的水太重了(具有重力势能),于是就有着向低处“压”过去的趋势,即所谓水往低处流。洗车店的加压水枪,是人为的在加压泵里施加压力,让水有往水管口流出去的趋势;小朋友的水枪玩具也是这个道理。
图3:可以把上游的水的重力势能理解为水压
阻力
河里的石头,以及河岸和河底对水的摩擦力,都成为了水的阻力。石头越大,水流越小。
图4:石头的阻碍让水流得不顺畅
想象一下
电流好比水流
电压好比水压
电阻好比石头
是否有点豁然开朗了呢?
●电流
电流就是数不清的电荷集体移动的效果。
图5:电荷集体移动(物理术语为:电荷的定向移动)
注意:电荷≠电子
电荷:带电粒子,包括正电和负电
电子:带负电的粒子,是一种负电荷
并定义正电荷的运动方向为电流方向
●电压
电压是驱使电荷移动的源动力,下图的电压来源由电池提供。电池内部原理可简单的理解为:电池里有两个存储电荷的地方,一个负责储存正电荷,一个负责储存负电荷,如此一来产生了一个电场(类似磁铁产生磁场),对电子有电场力的作用,让正电荷有向正极方向输出的趋势,让负电荷有向负极输出的趋势。我们的手机没电要充电实际上就是,电池两极的正负电荷被你看公众号文章、刷抖音等消耗光了,需要通过插座里220V的市电来提供外在电场力,让电池两极重新获得正负电荷。
与水流不同的是,电路需要有一个闭合的回路电荷才会移动,所以我们需要按下开关让回路闭合,电灯才能亮。
图6:电池提供动力让电荷移动
●电阻
电阻来源于构成电路的导体自身与物理环境,即与材料属性、尺寸和温度有关。
●一是材料属性:导体之所以导电,实际上是导体的原子中的部分核外电子在移动,这一个原子的电子被“驱赶”跑掉并留下一个空位,下一个则会补上,好比接力赛跑一样。但不同的材料其原子的核外电子移动能力不一样(实际上是“被移动”的能力),决定了材料的电阻率不同,从而导致电阻的不同。
●二是尺寸:导体的横截面积越大,电阻越小,可以想象成越宽大的马路,越不容易堵车;导体长度越长,电阻越大。
●三是温度:多数材料的电阻随温度升高而增大。
以上几个因素归纳到公式中为:
R=ρl/s
其中R为电阻,ρ为电阻率(由材料的物理属性决定),l为长度,s为横截面积。
图7:电子设备中常用到的电阻元器件
(上文中的几个电阻因素是物理上严谨意义下的因素。上图的电阻元器件,蓝色部分是主要的阻值部分,两端的金属导体也会存在自身的电阻,由于阻值很小一般忽略)
至此,以上内容已经足够理解电流、电压和电阻概念,以下内容为公式细节。
欧姆定律:
I=U/R
(I电流 U电压 R电阻)
欧姆定律的简述为:
在同一电路中,通过某段导体的电流与这段导体两端的电压成正比,与这段导体的电阻成反比。
该定律由德国物理学家乔治·西蒙·欧姆1826年4月发表的《金属导电定律的测定》论文中提出。
物理量英文名国际单位常用单位举例电流
I
A
安培(简称安)
mA、μA等
I=2A
电流等于2安
电压U
V
伏特(简称伏)
kV、mV等
U=220V
电压等于220V
电阻R
Ω
欧姆(简称欧)
kΩ等
R=50Ω
科普
●中国、韩国市电电压为220V
●台湾市电电压为110V
●日本市电电压为100V
●人体安全电压为36V
●我国的高压输电电压:根据送电距离,15~20公里采用10千伏200~300公里采用220千伏(即22万伏);100公里左右采用110千伏;更远的还有500千伏。
●一次闪电的电流为千安培级别,但足以产生一、二万度的高温,是太阳表面温度的两三倍。
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