第一節 導體的電阻
電阻的定義

電阻描述了一個電路元件兩端的電勢差(或稱為電壓) \(V\) 和通過此元件的電流 \(I\) 之間的關係。電阻 \(R\) 的定義為這個電勢差和電流的比,即 \[R=\frac{V}{I}.\]

電阻的國際單位是歐姆(\(\Omega\)),即伏特每安培(\(\textrm{V}\,\textrm{A}^{-1}\))。

電阻反映出元件對電流電能的消耗。電流通過電阻愈大的元件,元件兩端的電勢差就愈大,說明電能消耗愈大。

活動:從電流和電壓的關係分析電阻

當溫度不變,通過金屬導線的電流隨導線電壓變化的曲線為一條通過原點的直線。

下圖為兩條導線電流與電壓關係,其中電阻較大的是?

回答錯誤。

我們可以比較同一電壓下,兩條導線的電流。導線 A 的電流大於導線 B 的電流。所以導線 A 的電阻小於導線 B 的電阻。

回答正確。

金屬導線在不同的電壓 \(V_1\) 和 \(V_2\) 下,電流都滿足 \(V_1/I_1 = V_2/I_2\)。可見電阻 \(R=V/I\) 是一個常數,不隨電流和電壓變化。

下圖是鎢絲燈泡電流隨電壓變化的曲線,可以看出此時的電阻已不是一個常數。那麼隨著電流的增大,電阻的變化會如何?

回答正確。

但不知你有否誤解:曲線上一點電阻的倒數是這點與原點連線的斜率,並非這點切線的斜率。

回答錯誤。

曲線上一點與原點連線的斜率即是這點電阻的倒數。選取 A 和 B 兩點比較,可見 B 點的電阻大於 A 點。鎢絲燈泡的電阻隨著電流增大而上升。

下圖是用鉑電極電解某電解質時,電流隨電壓變化的曲線。

電勢差較小時,電流隨電壓緩慢的線性增長。當施加的電壓大於某個觸發溶液電解的值時,隨著電壓增大,電流迅速的線性增長。此時電阻的變化是?

回答正確。

儘管電流隨電壓變化的曲線為一條直線,電阻也未必是一個常數。只有當這條直線通過原點時,電阻才是一個不隨電流和電壓變化的常數。

回答錯誤。

雖然後半段電流仍是隨電壓線性的增長,但此時的電阻不再是一個常數。不難看出此時電阻在隨著電壓的增大而減小。

最後看看二極管的電流隨電壓變化曲線。

二極管是一種讓電流只能單向流過的電子元件。理想的二極管在其兩端電壓大於某個閾值時,電阻為零;當電壓小於這個閾值,或是施加反方向電壓時,電阻為無窮大。你能從下面的曲線中看出這一特性嗎?

歐姆定律

溫度不變時,金屬導線的電勢差和電流比值為一常數。這一現象最早由德國物理學家歐姆於 19 世紀 20 年代發現。歐姆引入電阻這一概念,並提出著名的歐姆定律。歐姆定律指出,當溫度等其他物理條件不變時,導體兩端的電勢差正比於通過導體的電流,即: \[R=\frac{V}{I}=\textrm{常數}.\]

我們將符合歐姆定律的導體稱為歐姆元件。大部分金屬和合金都符合歐姆定律。

其他還有很多導體不符合歐姆定律,被稱為非歐姆元件。

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