第二節　常用基本物理量及應用

一、電量

自然界中的一切物質都是由分子組成的，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量帶負電荷的電子組成的。在通常情況下，原子核所帶的正電荷數等于核外電子所帶的負電荷數，原子對外不顯電性。但是，用一些辦法可使某種物體上的電子轉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電荷。物體失去或得到的電子數量越多，則物體所帶的正、負電荷的數量也越多。

物體所帶電荷數量的多少用電量來表示。電量是一個物理量，它的單位是庫侖，用字母C表示簡稱庫。

二、電流

電荷的定向移動形成電流。電流有大小，有方向。

（1）電流的方向

人們規定正電荷定向移動的方向為電流的方向。金屬導體中，電流是電子在導體內電場的作用下定向移動的結果，電子流的方向是負電荷的移動方向，與正電荷的移動方向相反，所以金屬導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

電學中用電流強度來衡量電流的大小。電流強度就是1秒鐘通過導體截面的電量。電流強度用字母I表示，計算公式如下：

　　（1-1）

式中　I——電流強度，A；

Q——在t秒時間內，通過導體截面的電量數，C；

t——時間，s。

實際使用時，人們把電流強度簡稱為電流。電流的單位是安培，簡稱安，用字母A表示。實際應用中，除單位安培外，還有千安（kA）、毫安（mA）和微安（A）。它們之間的關系為：

1kA=10³A

1A=10³mA

1mA=10³μA

三、電壓

為了弄清楚電荷在導體中定向移動而形成電流的原因，我們對照圖1-4（a）水流的形成來理解這個問題。

從圖1-4（a）可以看到外水由A槽經C管向B槽流去。水之所以能在C管中進行定向移動，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，是實現水形成水流的原因。與此相似，當圖1-4（b）中的開關S閉合后，電路里就有電流。這是因為電源的正極電位高，負極電位低。兩個極間電位差（電壓）使正電荷從正極出發，經過負載R移向負極形成電流。所以，電壓是自由電荷發生定向移動形成電流的原因。在電路中電場力把單位正電荷由高電位a點移向低電位b點所做的功稱為兩點間的電壓，用U_ab表示。所以電壓是a與b兩點間的電位差，它是衡量電場力做功本領大小的物理量。

電壓用字母U表示，單位為伏特，簡稱伏，用字母V表示。電場力將1庫侖電荷從a點移到b點所做的功為1焦耳，則ab間的電壓值就是1伏特。常用的電壓單位還有千伏（kV），毫伏（mV）等。它們之間的關系為：

1kV=10³V

1V=10³mV

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

四、電動勢、電源

在圖1-4（a）中，為使水在C管中持續不斷地流動，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極移到正極，以維持正、負極間的電位差，即電路中有一定的電壓使正電荷在電路中持續不斷地流動。

電源是利用非電力把正電荷由負極移到正極的，它在電路中將其他形式能轉換成電能。電動勢就是衡量電源能量轉換本領的物理量，用字母E表示，它的單位也是伏特，簡稱伏，用字母V表示。

電源的電動勢只存在于電源內部。人們規定電動勢的方向在電源內部由負極指向正極。在電路中也用帶箭頭的細實線表示電動勢的方向，如圖1-4（b）所示。當電源兩端不接負載時，電源的開路電壓等于電源的電動勢，但二者方向相反。

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

五、電阻

一般來說，導體對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，簡稱歐，用字母Ω表示。

如果導體兩端的電壓為1伏，通過的電流為1安，則該導體的電阻就是1歐。

常用的電阻單位還有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ）。它們之間的關系為：

1kΩ=10³Ω

1MΩ=10³kΩ

六、電功、電功率

電流通過用電器時，用電器就將電能轉換成其他形式的能，如熱能、光能和機械能等。我們把電能轉換成其他形式的能叫作電流做功，簡稱電功，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、所用的時間和電阻有以下的關系：

　　（1-2）

如果式（1-2）中，電壓單位為伏，電流單位為安，電阻單位為歐，時間單位為秒，則電功單位就是焦耳，簡稱焦，用字母J表示。

電流在單位時間內通過用電器所做的功稱為電功率，用字母P表示。其數學表達式為：

　　（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，簡稱瓦，用字母W表示。在實際工作中，常用的電功率單位還有千瓦（kW）、毫瓦（mW）等。它們之間的關系為：

1kW=10³W

1W=10³mW

從式（1-4）中可以得出如下結論：

①當用電器的電阻一定時，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當流過用電器的電流一定時，電功率與電阻值成正比。對于串聯電阻電路，流經各個電阻的電流是相同的，則串聯電阻的總功率與各個電阻的電阻值的和成正比。

③當加在用電器兩端的電壓一定時，電功率與電阻值成反比。對于并聯電阻電路，各個電阻兩端電壓相等，則各個電阻的電功率與各電阻的阻值成反比。

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

1kW·h=1kW×1h=3.6×10⁶J　　（1-5）

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

解：

電視機的功率P=300W=0.3kW

電視機一年開機的時間t=3×365=1095h

電視機一年消耗的電能W=P_t=0.3×1095=328.5kW·h

一年的電費為328.5×0.48=157.68元。

七、電流的熱效應

電流通過導體使導體發熱的現象叫作電流的熱效應。電流的熱效應是電流通過導體時電能轉換成熱能的效應。

電流通過導體產生的熱量，用焦耳-楞次定律表示如下：

Q=I²Rt　　（1-6）

式中　Q——熱量，J；

I——通過導體的電流，A；

R——導體電阻，Ω；

t——導體通過電流的時間，s。

焦耳-楞次定律的物理意義是：電流通過導體所產生的熱量，與電流強度的平方、導體的電阻及通電時間成正比。

在生產和生活中，應用電流熱效應制作各種電器。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、電褥子等常用于家庭中。但是電流的熱效應也有其不利的一面，如電流的熱效應能使電路中不需要發熱的地方（如導線）發熱，導致絕緣材料老化，甚至燒毀設備，導致火災，是一種不容忽視的潛在禍因。

例題2　已知當一臺電烤箱的電阻絲流過5A電流時，每分鐘可放出1.2×10⁶J的熱量，求這臺電烤箱的電功率及電阻絲工作時的電阻值。

解：

根據式（1-3），電烤箱的電功率為

電阻絲工作時電阻值為