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電阻、歐姆定律與電功率

為什麼每一條導線都抵抗流動、電路中最常用的關係式(V = IR),以及如何計算一個元件轉成熱與光的功率。

為什麼材料會抵抗電流

電子在金屬中漂移時並非暢行無阻——它們會撞上晶格中振動的原子,每次碰撞都損失能量。這種類似摩擦、對電流的阻礙稱為電阻。在相同的推力下,材料越阻礙流動,電阻就越大,散失成熱的能量也越多。

R = \frac{V}{I}

電阻是元件兩端電壓與通過電流的比值。SI 單位是歐姆:1 Ω = 每安培 1 伏特。

歐姆定律

對一大類材料——固定溫度下的一般金屬——電流與電壓成正比:推力加倍,流量就加倍。這個正比關係就是歐姆定律,通常寫成下面的式子。

V = I\,R

歐姆定律:電壓等於電流乘以電阻。移項後 I = V/R——電壓越大或電阻越小,電流就越大。

電阻率:關鍵在材料,不只在形狀

電阻是某個特定物體的性質;它同時取決於材料與幾何形狀。同樣的金屬,又長又細的導線比又短又粗的電阻大。為了把純粹的材料性質與形狀分開,我們使用電阻率 \rho——一個由物質本身決定的數。

R = \rho\,\frac{L}{A}

電阻隨長度 L 增大、隨橫截面積 A 減小;ρ(單位歐姆·公尺)代表材料。越長越細,電阻就越大。

電阻率的範圍極其巨大,正是它把導體絕緣體區分開來。銅的 \rho\approx1.7\times10^{-8}\,\Omega\cdot\text{m}(極佳的導體——所以電線用銅);玻璃或橡膠約在 10^{12}\,\Omega\cdot\text{m},高出二十個數量級,這正是它們能安全包覆電線的原因。

\rho(T) = \rho_{0}\,[\,1 + \alpha\,(T - T_{0})\,]

對金屬而言,電阻率大致隨溫度線性上升(α > 0):導線越熱、碰撞越多、電阻越大。

電功率:能量的去向

每個電荷落過一段電位差時就交出能量。這股能量交付的速率就是電功率。可以把它想成(每電荷的能量)×(每秒的電荷)= 電壓 × 電流。

P = I\,V

傳給(或由)任一電路元件的功率,等於電流乘以其兩端電壓。SI 單位是瓦特:1 W = 每秒 1 焦耳。

對歐姆性電阻,我們可以代入 V = IR 得到另外兩種形式——挑一個最符合你已知量的來用。

P = I^{2}R = \frac{V^{2}}{R}

在電阻中,電能以 I²R 的速率轉成熱——這就是焦耳熱(能量耗散)。

範例:一顆燈泡

拖動電阻與電動勢,觀察電流、電壓降與功率一起變化——每個改變都遵守歐姆定律與 P = IV。試著把電阻減半,看看功率變成四倍。