电路的测量

电路的测量

你正在参观植物园，步行穿过一片美丽的绿色景区，在园中央的人造瀑布旁休息，发现瀑布的水流很稳定。你也许会问：讲电流时谈到瀑布干什么？瀑布与电有什么联系？人造瀑布尽管有一个电动水泵使水不断流动，但我们所要说的不是这个水泵。我们要说的是瀑布，或者说任何流体，和电路中的电流相似。

当水到达瀑布顶部时会出现什么情况？当然水会流下来。当你举起物体时，就克服重力做功而使物体获得能量，这种基于位置的能量叫做势能。

一个物体会从势能大的地方向势能小的地方运动。瀑布顶部的水的势能比底部的水的势能大，因此水会从高处（顶部）流向低处（底部）。

同样，电路中的电子具有势能。不过这种势能与高度没有关系，只与电场产生的力有关。单位电荷的势能叫电势（electricalpotential）。

就像水从高处流下一样，电子从电势高的地方流向电势低的地方，电路两点之间电势的差值叫电势差（potentialdifference），电势差的单位是伏特（V）。电势差也叫电压（voltage）。只要一段电路的两端存在电势差，或者说存在电压，电子就会沿着电路流动。

回想一下，通过导体的电子定向移动形成电流。电压是形成电路中电流的原因。

植物园里的水到达瀑布的底部时，将会发生什么现象？如果没有什么装置把水送回到顶部，水很快就会停止流动。但植物园里的瀑布有一个把水抽回到顶部的水泵。水一旦被抽回到顶部，又会流下来。这个过程的另一种描述是：这个水泵维持着下落的水在顶部和底部之间的水位差。只要水位差存在，水就能持续不断地流动。

一个电路也需要一种能维持电势差或电压的装置。电源（voltagesource）是使一个电路中产生电势差的装置。电池和发电机都是电源。

现在我们要知道的是电源有两个极，两个极间的电势差或电压是引起电荷在电路中移动的原因。

有些电源的电压比其他电源高。你可以把电压大小比作水管从瀑布的顶部向下倾斜的程度。如果水管近似水平，那么水就一滴一滴流下。但如果水管的一端比另一端高得多，那么水流的速度就大得多。高度差越大，水流就越大。就像高度差增大引起水流增大那样，电压增大，也会引起电流增大。

在瀑布中通过水管流出的水量除了与水管的倾斜角度有关之外，还与水管的粗细和长短有关。长的水管对水流的障碍作用比短的水管大。细的水管对水流的阻碍作用比粗的水管大。另外，被污物所阻塞的水管比干净水管对水流的阻碍作用大。

同样，在一个电路里，电流大小不仅取决于电压，而且跟电流通过的导体的电阻有关。因为电阻阻碍电荷的流动，电阻越大，对于给定的电压而言电流就越小。

一根导线的电阻由导线的粗细和长短程度决定。其他条件相同时，长导线的电阻比短导线的电阻大，细导线的电阻比粗导线的电阻大。电阻还跟材料的导电性能有关，电子跟导体中的原子相互作用而减速，电子容易通过导体，不容易通过绝缘体。

还有一个影响电阻的因素是温度。电阻随着温度的降低而减少。我们也可以这样说，大部分导体的电阻随着温度的升高而增大。

你也许听说过“人总是喜欢走捷径”，意思是说人总是用最容易的方式做事。同样，如果电流可以通过两条电路中的任何一条，那么，它就容易通过电阻较小的那条电路。

你是否看见过一群鸟自由自在地栖息在高压线上而不受到伤害？鸟不会受伤害的原因是：电流容易通过最小电阻的电路——导线。由于鸟本身的电阻比它脚下导线的电阻大得多，电流直接流过导线而没有伤及鸟。

在19世纪20年代，德国物理学家乔治·欧姆利用大量的材料，通过物理实验来研究电阻。为了研究决定影响电阻大小的因素，他分析了多种不同类型的导线。由于欧姆做了有价值的实验，电阻的单位命名为欧姆（Ω）。

怎样测量一根导线的电阻呢？为了测量导线的电阻，欧姆在一个导体上加上了一个有两挡电压值的电源，然后测量产生的电流。电势差或电压用电压表（voltmeter）来测量，以安培为单位的电流用电流表（ammeter）来测量。电压表和电流表常被组合在一起。

欧姆发现，对大多数导体来说，电阻不是由它们两端的电压决定的。不管所加的电压多大，一段导体或其他电器的电阻都是恒定的，也就是说遵循欧姆定律（Ohm’s Law）。你将学到的大多数导体一般都遵循欧姆定律。

欧姆定律是指通过一段导体中的电流跟这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比。即

用字母R表示电阻，I表示电流，U表示电压，这个公式就是

也可以将公式变形为：

U＝IR

已知公式中的任意两个量，就可求出第三个量。

可以通过这个公式来理解电阻、电压及电流之间的关系。例如：电压增加一倍而电阻保持不变，电流会怎样变化？因为电阻不变，如果电压加倍，电流也就加倍。因此，电压越大，电流也越大。

相反，如果电阻加倍，电压保持不变，电流会怎样变化呢？若电阻加倍，那么电流将减小一半。因此，电阻越大，电流越小。有时为了阻止太大的电流流过电路，有必要在电路中增大电阻。专门设计的与米粒一样大小的电阻器被接到电路中，电视机、收音机或其他电子设备中都接有数量较多的电阻器。

有些电阻器不遵循欧姆定律。例如：当一盏电灯点亮时，灯丝被加热，温度升高，灯丝的电阻就增大。灯丝在加热前的电阻最小，因此通过温度低的灯丝的电流最大。这就是通常为什么你开灯时，电灯容易烧坏的原因。