第二節(jié)　常用基本物理量及應(yīng)用

一、電量

自然界中的一切物質(zhì)都是由分子組成的，分子又是由原子組成的，而原子是由帶正電荷的原子核和一定數(shù)量帶負(fù)電荷的電子組成的。在通常情況下，原子核所帶的正電荷數(shù)等于核外電子所帶的負(fù)電荷數(shù)，原子對(duì)外不顯電性。但是，用一些辦法可使某種物體上的電子轉(zhuǎn)移到另外一種物體上。失去電子的物體帶正電荷，得到電子的物體帶負(fù)電荷。物體失去或得到的電子數(shù)量越多，則物體所帶的正、負(fù)電荷的數(shù)量也越多。

物體所帶電荷數(shù)量的多少用電量來表示。電量是一個(gè)物理量，它的單位是庫(kù)侖，用字母C表示簡(jiǎn)稱庫(kù)。

二、電流

電荷的定向移動(dòng)形成電流。電流有大小，有方向。

（1）電流的方向

人們規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较颉＝饘賹?dǎo)體中，電流是電子在導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)的結(jié)果，電子流的方向是負(fù)電荷的移動(dòng)方向，與正電荷的移動(dòng)方向相反，所以金屬導(dǎo)體中電流的方向與電子流的方向相反，如圖1-3所示。

（2）電流的大小

電學(xué)中用電流強(qiáng)度來衡量電流的大小。電流強(qiáng)度就是1秒鐘通過導(dǎo)體截面的電量。電流強(qiáng)度用字母I表示，計(jì)算公式如下：

　　 （1-1） 　　

式中　I——電流強(qiáng)度，A；

　Q——在t秒時(shí)間內(nèi)，通過導(dǎo)體截面的電量數(shù)，C；

　t——時(shí)間，s。

實(shí)際使用時(shí)，人們把電流強(qiáng)度簡(jiǎn)稱為電流。電流的單位是安培，簡(jiǎn)稱安，用字母A表示。實(shí)際應(yīng)用中，除單位安培外，還有千安（kA）、毫安（mA）和微安（A）。它們之間的關(guān)系為：

1kA=103A

1A=103mA

1mA=103μA

三、電壓

為了弄清楚電荷在導(dǎo)體中定向移動(dòng)而形成電流的原因，我們對(duì)照?qǐng)D1-4（a）水流的形成來理解這個(gè)問題。

從圖1-4（a）可以看到外水由A槽經(jīng)C管向B槽流去。水之所以能在C管中進(jìn)行定向移動(dòng)，是由于A槽水位高，B槽水位低所致：A，B兩槽之間的水位差即水壓，是實(shí)現(xiàn)水形成水流的原因。與此相似，當(dāng)圖1-4（b）中的開關(guān)S閉合后，電路里就有電流。這是因?yàn)殡娫吹恼龢O電位高，負(fù)極電位低。兩個(gè)極間電位差（電壓）使正電荷從正極出發(fā)，經(jīng)過負(fù)載R移向負(fù)極形成電流。所以，電壓是自由電荷發(fā)生定向移動(dòng)形成電流的原因。在電路中電場(chǎng)力把單位正電荷由高電位a點(diǎn)移向低電位b點(diǎn)所做的功稱為兩點(diǎn)間的電壓，用Uab表示。所以電壓是a與b兩點(diǎn)間的電位差，它是衡量電場(chǎng)力做功本領(lǐng)大小的物理量。

電壓用字母U表示，單位為伏特，簡(jiǎn)稱伏，用字母V表示。電場(chǎng)力將1庫(kù)侖電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所做的功為1焦耳，則ab間的電壓值就是1伏特。常用的電壓?jiǎn)挝贿€有千伏（kV），毫伏（mV）等。它們之間的關(guān)系為：

1kV=103V

1V=103mV

電壓與電流相似，不但有大小，而且有方向。對(duì)于負(fù)載來說，電流流入端為正端，電流流出端為負(fù)端。電壓的方向是由正端指向負(fù)端，也就是說負(fù)載中電壓實(shí)際方向與電流方向一致。在電路圖中，用帶箭頭的細(xì)實(shí)線表示電壓的方向。

四、電動(dòng)勢(shì)、電源

在圖1-4（a）中，為使水在C管中持續(xù)不斷地流動(dòng)，必須用水泵把B槽中的水不斷地泵入A槽，以維持兩槽間的固定水位差，也就是要保證C管兩端有一定的水壓。在圖1-4（b）中，電源與水泵的作用相似，它把正電荷由電源的負(fù)極移到正極，以維持正、負(fù)極間的電位差，即電路中有一定的電壓使正電荷在電路中持續(xù)不斷地流動(dòng)。

電源是利用非電力把正電荷由負(fù)極移到正極的，它在電路中將其他形式能轉(zhuǎn)換成電能。電動(dòng)勢(shì)就是衡量電源能量轉(zhuǎn)換本領(lǐng)的物理量，用字母E表示，它的單位也是伏特，簡(jiǎn)稱伏，用字母V表示。

電源的電動(dòng)勢(shì)只存在于電源內(nèi)部。人們規(guī)定電動(dòng)勢(shì)的方向在電源內(nèi)部由負(fù)極指向正極。在電路中也用帶箭頭的細(xì)實(shí)線表示電動(dòng)勢(shì)的方向，如圖1-4（b）所示。當(dāng)電源兩端不接負(fù)載時(shí)，電源的開路電壓等于電源的電動(dòng)勢(shì)，但二者方向相反。

生活中用測(cè)量電源端電壓的辦法，來判斷電源的狀態(tài)。比如測(cè)得工作電路中兩節(jié)5號(hào)電池的端電壓為2.8V，則說明電池電量比較充足。

五、電阻

一般來說，導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用稱為電阻，用字母R表示。電阻的單位為歐姆，簡(jiǎn)稱歐，用字母Ω表示。

如果導(dǎo)體兩端的電壓為1伏，通過的電流為1安，則該導(dǎo)體的電阻就是1歐。

常用的電阻單位還有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ）。它們之間的關(guān)系為：

1kΩ=103Ω
1MΩ=103kΩ

六、電功、電功率

電流通過用電器時(shí)，用電器就將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能，如熱能、光能和機(jī)械能等。我們把電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能叫作電流做功，簡(jiǎn)稱電功，用字母W表示。電流通過用電器所做的功與用電器的端電壓、流過的電流、所用的時(shí)間和電阻有以下的關(guān)系：

（1-2）

如果式（1-2）中，電壓?jiǎn)挝粸榉娏鲉挝粸榘玻娮鑶挝粸闅W，時(shí)間單位為秒，則電功單位就是焦耳，簡(jiǎn)稱焦，用字母J表示。

電流在單位時(shí)間內(nèi)通過用電器所做的功稱為電功率，用字母P表示。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

P=　　（1-3）

將式（1-2）代入式（1-3）后得到：

　　 （1-4） 　　

若在式（1-3）中，電功單位為焦耳，時(shí)間單位為秒，則電功率的單位就是焦耳/秒。焦耳/秒又叫瓦特，簡(jiǎn)稱瓦，用字母W表示。在實(shí)際工作中，常用的電功率單位還有千瓦（kW）、毫瓦（mW）等。它們之間的關(guān)系為：

1kW=103W
1W=103mW

從式（1-4）中可以得出如下結(jié)論：

①當(dāng)用電器的電阻一定時(shí)，電功率與電流平方或電壓平方成正比。若通過用電器的電流是原來電流的2倍，則電功率就是原功率的4倍；若加在用電器兩端電壓是原電壓的2倍，則電功率就是原功率的4倍。

②當(dāng)流過用電器的電流一定時(shí)，電功率與電阻值成正比。對(duì)于串聯(lián)電阻電路，流經(jīng)各個(gè)電阻的電流是相同的，則串聯(lián)電阻的總功率與各個(gè)電阻的電阻值的和成正比。

③當(dāng)加在用電器兩端的電壓一定時(shí)，電功率與電阻值成反比。對(duì)于并聯(lián)電阻電路，各個(gè)電阻兩端電壓相等，則各個(gè)電阻的電功率與各電阻的阻值成反比。

在實(shí)際工作中，電功的單位常用千瓦小時(shí)（kW·h），也叫“度”。1千瓦小時(shí)是1度，它表示功率為1千瓦的用電器1小時(shí)所消耗的電能，即：

1kW·h=1kW×1h=3.6×106J　　（1-5）

例題1　一臺(tái)42in（1in=2.54cm）等離子電視機(jī)的功率約為300W，平均每天開機(jī)3h，若每度電費(fèi)為人民幣0.48元，問一年（以365d計(jì)算）要交納多少電費(fèi)？

解：

電視機(jī)的功率P=300W=0.3kW

電視機(jī)一年開機(jī)的時(shí)間t=3×365=1095h

電視機(jī)一年消耗的電能W=Pt=0.3×1095=328.5kW·h

一年的電費(fèi)為328.5×0.48=157.68元。

七、電流的熱效應(yīng)

電流通過導(dǎo)體使導(dǎo)體發(fā)熱的現(xiàn)象叫作電流的熱效應(yīng)。電流的熱效應(yīng)是電流通過導(dǎo)體時(shí)電能轉(zhuǎn)換成熱能的效應(yīng)。

電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，用焦耳-楞次定律表示如下：

Q=I2Rt　　（1-6）

式中　Q——熱量，J；

　I——通過導(dǎo)體的電流，A；

　R——導(dǎo)體電阻，Ω；

　t——導(dǎo)體通過電流的時(shí)間，s。

焦耳-楞次定律的物理意義是：電流通過導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量，與電流強(qiáng)度的平方、導(dǎo)體的電阻及通電時(shí)間成正比。

在生產(chǎn)和生活中，應(yīng)用電流熱效應(yīng)制作各種電器。如白熾燈、電烙鐵、電烤箱、熔斷器等在工廠中最為常見；電吹風(fēng)、電褥子等常用于家庭中。但是電流的熱效應(yīng)也有其不利的一面，如電流的熱效應(yīng)能使電路中不需要發(fā)熱的地方（如導(dǎo)線）發(fā)熱，導(dǎo)致絕緣材料老化，甚至燒毀設(shè)備，導(dǎo)致火災(zāi)，是一種不容忽視的潛在禍因。

例題2　已知當(dāng)一臺(tái)電烤箱的電阻絲流過5A電流時(shí)，每分鐘可放出1.2×106J的熱量，求這臺(tái)電烤箱的電功率及電阻絲工作時(shí)的電阻值。

解：

根據(jù)式（1-3），電烤箱的電功率為

電阻絲工作時(shí)電阻值為