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。
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。
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。
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,正是它把導體與絕緣體區分開來。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。
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。
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。
在電阻中,電能以 I²R 的速率轉成熱——這就是焦耳熱(能量耗散)。