一、电流
在今年第一期中我们做了关于电路的实验(通路、断路和短路)。当做通路实验时,我们一闭合开关,小灯泡就发光了(如图1的电路),灯泡之所以能发光就是由于灯泡中的灯丝有电流流过的缘故。

什么叫电流呢?电荷有规则的移动就叫电流。人们规定:正电荷移动的方向为电流方向。人们还规定:单位时间内流过物体横截面的电量,叫做电流强度。用它可以衡量电流的大小。电流强度用I表示,电流强度的单位是安培(简称安),用字母A表示。比安培小的单位有毫安(mA)、微安(μA),它们之间的进位关系是1安培(A)=1000毫安(mA)= 1000000微安(μA)
如果在电路中流过的电流,它的大小和方向都不随时间而变化,我们就称它为直流电流。例如干电池、蓄电池等。另一种电流强度和方向随时间作周期性变化的电流叫交流电流,如民用的市电。
二、电压
人们在日常生活中都知道这样的常识:要想让水流动,必须有水位差,水从水位高处流向水位低处。同样要使电荷移动,必须具有电位差。在一段电路上,当有电位差存在时,电流就会从高电位点流向低电位点。电路两端的电位之差就叫电压,用字母U表示。电压的单位用伏特(V)表示,比伏特小的单位用毫伏(mV)和微伏(μV),比伏特大的单位用千伏(kV)表示。
它们之间的关系是:
1千伏(kV)=1000(V)
1伏(V)=1000毫伏(mV)
1毫伏(mV)=1000微伏(μV)
三、电阻
当电流通过导体时,由于电子在导体中移动时,受到导体中其它不带电粒子碰撞和原子核对它的吸引力等,因而会遇到阻力。我们把电流在流动时遇到的阻力叫电阻,用字母R表示。
电阻的单位是欧姆(简称欧),用字母Ω表示。此外还有千欧(kΩ),兆欧(MΩ)。它们的关系是:
1千欧(kΩ)=1000欧(Ω)
1兆欧(MΩ)=1000千欧(kΩ)
四、欧姆定律
在一个电路中(通路),总是存在着电压(或电源)、电流和电阻这“电世三兄弟”,那它们在同一个电路中相互之间又有什么关系呢?下面我们通过两个实验来说明。
〔实验一〕此实验不使用万用表,而用灯泡来显示,结果较直观,但只能定性地说明欧姆定律。

先做一块实验板:用一块40×115毫米的单面敷铜板,按图2所示,用小刀刻成互相绝缘的几部分。

在A、B、C铜皮上如图示安上两对电池卡,尺寸见图3(a)所示,在图中画虚线圆圈的地方,用M5圆螺钉帽对准它砸一个坑,然后在虚线处折弯90°成图3(b)形状。将具有凹坑的两个铜片用来连接电池正极,将具有凸坑的两个铜片连接电池负极。

按图4所示用直径1毫米左右的铜丝在表笔上绕7~8圈,作为电流测试时的插孔(兼开关),如图5中X、Y插孔。

再准备两个2.5伏小灯泡和灯座,各元件安装实体图见图5所示。

我们先做这样的实验,即了解电路中电压对电流的影响:第一步先用一节电池E\(_{1}\)作电源(电压为1.5伏),用一根表笔线作连接线,将它的两头,分别插在X、Y插孔中(即把电池E1正极和小灯泡D\(_{1}\)右端(F)连通)。然后再用连接线把灯泡左端(E)和电池E1负极(B)连通,这样连接的电路图见图6。我们可以看到灯泡并不太亮。然后做第二步实验。我们把灯泡左端(E)和电池E\(_{1}\)负极(B)的导线拆开,并把灯泡左端(E)和电池E2负极(A)连通,这样连接的电路图见图7。我们可以发现此时小灯泡D\(_{1}\)比第一次亮多了,说明流过灯泡的电流比原来大多了。通过这个实验我们可以了解到:当电路中的电阻(即电路中的小灯泡)不变时,电路中的电流和加在电阻两端的电压成正比。

我们再做第三步实验:还是利用两节电池,正极引线不变,当我们把电池E\(_{2}\)负极(A)和灯泡D1左端(E)拆开后,把小灯泡左端(E)和小灯泡右端(D)连通时,小灯泡D\(_{1}\)和D2同时发光(电路见图8所示),此时发现每个灯泡的亮度都不如第二个实验(两节电池点一个灯泡)时亮,通过这个实验我们可以知道:当加在电阻两端的电压不变时,电路中的电阻(即灯泡)越大时,电路中的电流就越小。

〔实验二〕为了更准确地说明“电世三兄弟”之间的关系,我们用万用表测具体数值,进行定量的分析。
用实验一的实验板,把两个灯泡拧下来,在电路板E、F之间和D、A之间分别焊上一个150欧的电阻(R\(_{1}\)和R2),如图9所示。实验步骤是:(1)在两个测试插孔X、Y中插入万用表的两根表笔,红表笔插X插孔,黑笔插Y插孔,将万用表量程开关拨到50mA档上。把R\(_{1}\)左端E和电池E1负极B连通,我们看到电流表的指示为10mA。即电流I=10mA,电阻R=150Ω,电压U=1.5V。从这已知的三个量中我们可以得出:电流I的数值等于电压数值除以电阻数值即I=U/R= 1.5/150=0.01A=10mA。

第二步把R\(_{1}\)左端(E)改接到电池E2负极(A),其它接线不变。我们可以看到电流表的指示变为20mA。这说明:当电路中电阻不变时,电路中的电流与加在电阻两端的电压成正比。电压增大一倍(由1.5伏增加到3伏),电流也增大一倍(由10mA增大为20mA)。
第三步:把R\(_{1}\)左端(E)与电池E2负极(A)断开,并把(E)和电阻R\(_{2}\)右端(D)连通。此时两节电池加在串联的两只电阻上(共300欧),再看电流表的读数变成了10mA,即此用两节电池接一个电阻时的电流小了一倍。这说明:当电阻两端的电压不变时,电路中的电流与电阻成反比。电阻增加一倍,电流减为原来的一半。
总结以上两个实验,我们可以得出“电世三兄弟”之间的关系是:导体(即电路中的电阻或灯泡)中的电流强度I,与这段导体两端的电压成正比(导体的电阻固定不变),跟导体本身阻值成反比(导体两端所加电压不变)。这就是欧姆定律(严格地讲叫做局部电路欧姆定律),用公式表示即为I=U/R,如果讨论或计算时把电源的内阻也算进去计算就叫全电路的欧姆定律。(沈长生)