贡献者: kahoyip
导体两端存在电势差时,导体中的自由电荷就会在电场力的作用下发生定向移动,电荷的定向移动形成了电流。为了表示电流强弱,定义流过导体某一个横截面的电荷量 $q$ 和所用时间 $t$ 的比值叫做电流,用 $I$ 表示:
国际单位制中,电流的单位是安培(简称安),符号为 $\mathrm{A}$,由式知 $1\mathrm{A} = 1\mathrm{C}/\mathrm{s}$。常用的电流单位还有毫安($\mathrm{mA}$)和微安($\mathrm{\mu A}$),$1\mathrm{A}=10^3\mathrm{mA}=10^6\mathrm{\mu A}$。
电流由电荷的定向移动产生,是有方向的,规定正电荷定向移动的方向为电流的方向,负电荷定向移动方向与电流的方向相反,式 1 的 $q$ 表示的是某段时间 $t$ 内按规定正方向通过截面的净电荷量。要注意的是,电流虽有方向,但电流的合成不遵循平行四边形定则,因此电流是个标量。
设一段均匀导体的横截面积为 $S$,导体内的自由电荷密度为 $n$,每个自由电荷的电荷量为 $q$,自由电荷定向移动的平均速率为 $\bar v$。在单位时间内通过导体横截面的自由电荷所占体积为 $S\bar v $,所含自由电荷数为 $nS\bar v $,则单位时间内通过导体横截面的电荷量为 $nqS\bar v$,由电流的定义可知
导体两端的电压与通过导体的电流之比叫做电阻,用 $R$ 表示:
电阻反映了导体对电流阻碍作用的大小。
在国际单位制中,电阻的单位是欧姆(简称欧),符号为 $\mathrm{\Omega}$。常用的电阻单位还有千欧($\mathrm{k\Omega}$)和兆欧($\mathrm{M\Omega}$),$1\mathrm{M\Omega}=10^3\mathrm{k\Omega}=10^6\mathrm{\Omega}$。
根据式 3 ,用电压表测出导体两端电压、用电压表测出通过导体电流来计算导体电阻的方法叫做伏安法。
通过导体的电流 $I$ 跟导体两端的电压 $U$ 成正比,跟导体的电阻 $R$ 成反比:
在温度一定的条件下,对于同种材料的均匀导体,其电阻 $R$ 与它的长度 $l$ 成正比,与它的横截面积 $S$ 成反比:
式 5 中的 $\rho$ 是电阻率,是反映导体导电性能的物理量。在长度、横截面积一定的条件下,电阻率越小的导体,其电阻越小,导电性能越好。国际单位中,电阻率的单位是欧姆米(简称欧米),符号为 $\mathrm{\Omega\cdot m}$。
电阻率的倒数叫做电导率,用 $\sigma$ 表示,即:
为了研究导体的电阻变化规律,常通过测量多组电压和电流数据,并绘制图像。以横坐标表示导体两端电压,纵坐标表示通过导体电流的 $I-U$ 图像叫做导体的伏安特性曲线。
对于金属导体,在温度无明显变化的时候,其伏安特性曲线是一条通过原点的直线,即通过电阻的电流与电阻两端的电压成正比,导体的电阻为定值,与电压和电流无关。具有这样伏安特性的电学元件叫做线性元件。
对于如二极管等伏安特性曲线不是直线的电学元件,叫做非线性元件。欧姆定律不适用于非线性元件,但仍可以用电阻的定义式(式 3 )来计算元件在不同情况下的导电性能。
串联电路中,电流处处相等,电路两端的总电压等于各部分电路两端的电压之和。
$n$ 个电阻串联时,有
对于串联后的总电阻 $R$ 有
即在串联电路的总电阻等于各部分电路的电阻之和。
并联电路中,干路电流等于各支路电流之和,电路的总电压与各支路电压相等。
$n$ 个电阻并联时,有
对于并联后的总电阻 $R$ 有
即在并联电路中总电阻的倒数等于各支路电阻的倒数之和。