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第十一章 电流、电阻和电压

Lesson 11/11 | Study Time: 20 Min


11.1 电流及其测量


电流及其测量



电流的基本概念


电流的定义:电流是由电荷定向流动所形成的,表示电荷的流动率。


电流强度:电流的大小称为电流强度,简称电流。



  • 符号:用字母 I 表示。

  • 单位:安培(ampere),符号 A


公式:


I = Q / t



  • Q:通过的电荷量(单位:库仑,C)

  • t:时间(单位:秒,s)


特点:



  • 在一个完整电路(闭合电路)中,电流会流经电路,用电器开始工作。

  • 电流流动的方向不会改变。





生物体内的电流


人体心脏与心电图:



  • 心脏跳动:由体内微弱的脉冲电流触发和控制。

  • 心电图:通过在胸部和四肢连上电极,记录心脏跳动的电流时间变化曲线,用于了解心脏是否正常。


人体脑电流:



  • 人脑受到刺激时,会产生不同形式的脑电流。

  • 通过脑电流可以推断出人脑的思维或情绪状态。





人体对电流强度的反应























电流强度 人体反应
1mA 引起人体感觉
15mA 导致肌肉失去控制
100mA 可能导致死亡




安培计


作用:用于测量电流的大小。


量程:每个安培计都有一定的测量范围,称为量程。





安培计的使用方法



  • 正确选择量程:根据电流大小选择合适的安培计量程。

  • 接线规则:电流必须从安培计的 + 接线柱流入,从 - 接线柱流出。

  • 连接方式:安培计必须与被测电器串联。











11.2 电压及其测量


电压及其测量



什么是电压?


电压的定义:电压是电源对自由电子的推动作用,它是电路中产生电流的原因。


表示符号:V


单位:伏特(符号:V)





干电池的特点


干电池对自由电子的推动是有方向的。


多个电池的连接方式:



  • 同方向连接:电池的推动作用会叠加,电压增大。

  • 反方向连接:电池的推动作用会互相抵消,电压减小甚至消失。


生活例子:手电筒中的电池通常是顺向排列,增加电压以点亮灯泡。





电动势与电势差



























概念 定义 作用
电动势 每单位电荷通过电源时所获得的电能。 描述电源的“推动能力”。
电势差 每单位电荷在电路两点之间通过时,从电能转化为其他形式能量的大小。 描述电路中两点之间的能量转换。
电压 可以指电动势或电势差。 是电动势和电势差的统称,表示电路中电的“动力”。




伏特计的使用


作用:测量电压的大小。


注意事项:



  • 正确选择伏特计的量程。

  • 必须把伏特计与被测用电器并联。


生活例子:在实验室中,用伏特计测量电池的电压,确保电池能正常使用。





电鳗:自然界中的“高压线”


电鳗的电压:输出电压高达300~800伏,因此被称为“水中的高压线”。


发电原理:



  • 电鳗的身体两侧有发电器,尾部为正极,头部为负极。

  • 当电鳗受到刺激时,会产生强大电流,从尾部流向头部。


用途:



  • 捕猎:通过放电击晕猎物。

  • 防御:对抗天敌。


生活例子:电鳗的放电能力甚至可以击晕在河里涉水的马或牛。





总结与思考


电压是电路中电流形成的基础,伏特计是测量电压的重要工具。


物质的导电性与其内部的自由电子和电洞有关,导体、绝缘体和半导体在生活中有广泛应用。


电阻器的不同类型在各种电路中起着重要作用。













11.4 导体电阻大小的决定因素


导体电阻大小的决定因素



影响电阻大小的因素



  • 材料的性质:不同材料的电阻不同。

    • 良导体:金、银、铜等金属,电阻较低,导电性好。

    • 绝缘体:玻璃、橡胶等材料,电阻很高,几乎不导电。



  • 导体的长度:导线越长,电阻越大。

    因为电子在导体中移动时,需要经过更长的路径,受到的阻力增加。



  • 导体的截面积:截面积越大,电阻越小。

    因为导线内部可以容纳更多的电子流动,阻碍作用减小。



  • 温度的影响:金属导线温度升高,电阻增大。

    温度升高时,金属中的原子振动加剧,电子通过时受到的阻力增加,导致电阻变大。







超导现象


什么是超导现象?当某些金属或合金的温度降到某一特定值时,其电阻会突然变为零,这种现象称为超导现象。


超导体:电阻为零的材料称为超导体。


发现历史:荷兰物理学家昂纳斯发现,当水银被逐渐冷却到 4.153K(约-269°C) 时,电阻突然消失。


超导体的应用:



  • 工业:制造高效电力输送系统。

  • 交通:磁悬浮列车。

  • 医疗:核磁共振仪(MRI)。

  • 科学研究:高能加速器。

  • 国防:制造强大的电磁武器。





电阻大小的影响因素总结表
































影响因素 具体表现 解释
材料性质 不同材料的电阻不同,金属电阻小,绝缘体电阻大。 因为材料内部自由电子数量不同。
导体长度 导线越长,电阻越大。 电子运动的路径更长,受到的阻力增加。
导体截面积 截面积越大,电阻越小。 导线内部空间更大,电子流动更加容易。
温度 温度升高,金属电阻增大;温度降低,金属电阻减小。 温度升高时,原子振动剧烈,阻碍电子流动。




生活中的例子



  • 电线的设计:家用电线通常使用铜作为导体,因为铜电阻小,导电性好。高压电缆的截面积很大,以减少电阻,降低电能损耗。

  • 超导体的应用:磁悬浮列车利用超导体实现无摩擦运行,大幅提高速度和效率。核磁共振仪(MRI)利用超导体产生强磁场,用于精确诊断疾病。

  • 温度对电阻的影响:冬天电线电阻较小,电器工作效率更高;夏天电线温度升高,电阻增大,可能导致电器效率降低甚至过热。





超导现象的意义


超导体的出现为人类提供了许多技术突破:



  • 零电阻输电:消除了电能损耗,提高了输电效率。

  • 强磁场产生:为核磁共振仪和高能物理实验提供了强大的磁场支持。

  • 环保节能:在交通和能源领域减少了资源浪费。













11.5 变阻器


变阻器



什么是变阻器?


定义:变阻器是一种可以改变电阻值的电器元件。


作用:通过改变电阻值,调节电路中的电流大小,从而控制用电器的工作状态。





变阻器的工作原理


结构:



  • 漆包电阻丝绕在陶瓷圆筒上。

  • 滑动头通过滑杆或旋钮移动,改变电阻丝的有效长度。


原理:


电阻与长度有关:滑动头移动时,电阻丝的有效长度发生变化,从而改变电路的总电阻。





变阻器的应用



























应用场景 作用
音响调音台 利用一组可变电阻调节音调、声音成分、响度等,改变声音品质。
舞台灯光调节 通过变阻器调节灯光亮度,营造不同的舞台效果。
电风扇调速 控制电风扇的转速,提供不同的风力选择。
收音机、电视机音量 通过变阻器调节音量大小,满足不同的听觉需求。




变阻器的分类



  • 滑动变阻器:通过滑动头在线性滑杆上移动,改变电阻值。

    例子:实验室常用的滑动变阻器。



  • 旋钮式变阻器:通过旋转旋钮改变电阻丝的有效长度。

    例子:家用音响设备的音量调节旋钮。







变阻器的优点



  • 控制灵活,阻值可根据需要随时调整。

  • 应用范围广,可用于各种电器设备的调节功能。





生活中的例子



  • 音响调音台:调节音乐中的高音、低音和中音成分,改善音质。

  • 舞台灯光:通过变阻器调节灯光亮度,创造不同的氛围。

  • 电风扇:变阻器用于调节风速,适应不同的使用需求。

  • 电视机音量:通过旋钮式变阻器调节音量大小,方便用户操作。













11.6 电流、电压、电阻的关系


电流、电压、电阻的关系



串联与并联对电阻的影响


电阻串联:


原理:串联相当于增加导线的长度,电阻会变大。


总电阻公式:R = R1 + R2 + R3 + ⋯


电阻并联:


原理:并联相当于增加导线的面积,电阻会变小。


总电阻公式:1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ⋯





电流、电压、电阻的关系


电流与电压的关系:


当电阻保持不变时,通过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。


I ∝ V


电流与电阻的关系:


当导体两端的电压保持不变时,通过导体的电流与导体的电阻成反比。


I ∝ 1/R





欧姆定律


定义:欧姆定律描述了电流强度、电压和电阻之间的关系。


公式:R = V / I


其中:



  • R:电阻(单位:欧姆,Ω)

  • V:电压(单位:伏特,V)

  • I:电流(单位:安培,A)





电阻的串联与并联


(1) 电阻的串联:



  • 特点:串联电路中,各处的电流强度相等:I1 = I2 = I3 = ⋯

  • 总电压等于各部分电路两端的电压之和:V = V1 + V2 + V3 + ⋯

  • 总电阻等于各串联电阻之和:R = R1 + R2 + R3 + ⋯


(2) 电阻的并联:



  • 特点:并联电路中,总电流强度等于各支路中的电流强度之和:I = I1 + I2 + I3 + ⋯

  • 各支路两端的电压相等:V = V1 = V2 = V3 = ⋯

  • 总电阻的倒数等于各并联电阻的倒数之和:1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ⋯





总结



























关系 公式 说明
欧姆定律 R = V / I 电阻等于电压与电流的比值。
电阻串联总电阻 R = R1 + R2 + R3 + ⋯ 串联电阻总和等于各电阻之和。
电阻并联总电阻 1/R = 1/R1 + 1/R2 + ⋯ 并联电阻总和的倒数等于各电阻倒数之和。




生活中的例子



  • 电阻串联:手电筒中的电池串联,增加电路总电压。

  • 电阻并联:家庭电路中,各电器并联,保证每个电器都能获得相等的电压。

  • 欧姆定律:使用调光灯时,改变电阻调节灯光亮度。