电子学——第002课：基础知识(电阻、电压、电流）
- 欧姆
- 测量皮肤的电阻
- 电池的内部构造
- - 实验2：短路一个电池
  - 实验3：如何熔断保险丝
- 基础知识：
- - 伏特
  - 安培
  - 直流电和交流电
  - 电池的发明者
  - 电磁学之父
  - 保险丝原理

电子学——第002课：基础知识(电阻、电压、电流）

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欧姆

测量自己皮肤的电阻值是多少欧姆——但是，欧姆是什么呢？

我们用英里或公里作为距离单位，用磅或千克作为质量单位，用华氏度或摄氏度作为温度单位，用欧姆作为测量电阻的单位。欧姆是一个国际单位，以电学先驱格奥尔格 • 西蒙 • 欧姆（Georg Simon Ohm）的名字命名。

希腊字母 Ω 表示欧姆¹。大于 999 欧姆的电阻，单位要用字母 kΩ，它表示千欧，即一千欧姆。例如，阻值 1500 Ω 计作 1.5 kΩ。

当阻值大于999 999Ω 时，就要用大写字母 MΩ 表示，它代表兆欧，即一百万欧姆。2.2 MΩ 就是 220 万欧姆。

对电流阻碍作用较大的材料称为绝缘体。大多数塑料（包括导线外包的彩色护套）都是绝缘体。
电阻很小的材料称为导体。金属（例如铜、铝、银和金）是优良的导体。

有没有超导体呢

测量皮肤的电阻

将万用表的刻度盘拨至如图所示的欧姆符号处，用探针轻轻地触碰皮肤，手动量程万用表则必须人工选择量程，大概 200MΩ（20000 万欧姆）就可以。注意，刻度盘旁的数字是最大值。因此，200 MΩ 代表“不大于 20000 万欧姆”。20 kΩ 代表“不大于 2 万欧姆”

用探针触碰皮肤，探针间的距离约 1 英寸²。注意万用表的读数，数值应在 100 MΩ 左右。放下探针，润湿皮肤，做法同前。

在皮肤湿润时，电阻会降低。此原理用于测谎仪，在压力大的情况下，故意说谎的人比较容易出汗。

以下是你的实验结论：较低的电阻允许通过更多的电流。而在最初的实验中，更多的电流会使皮肤的刺痛感更强烈。
皮肤实验并不是一个好控制的实验，因为两次实验中探针之间的距离可能会有微小的变化。你
觉得这个变化重要吗？让我们来研究一下。

并排握住万用表的探针，它们之间的距离为 1/4 英寸²。用它们触碰湿润的皮肤。现在将它们分开1 英寸²，再次触碰皮肤。你得到了怎样的读数？

电流经过距离较短时，它会遇到较小的电阻，反之，电流会因此变大。

在你的胳膊上进行一项类似的实验，如图所示。可以以固定的步长改变探针之间的距离（例如 1/4 英寸），观察万用表的阻值示数。你认为将探针之间的距离加大一倍会不会使测得的阻值也扩大一倍呢？如何证明你的观点？

若阻值过高，超出了万用表的测量范围，就会显示错误信息（例如字母 L），而不显示数字。润湿皮肤，重复实验，就能得到结果了。唯一的问题是，随着皮肤上的水分蒸发，阻值将会变化。你会发现控制一个实验中的所有因素是多么困难。随机因素的正式名称是不受控制变量。

还有一个变量没有讨论，就是每个探针对皮肤的压力。如果按压的力度加大，我猜想阻值会减小。你能证明这个猜想吗？如何设计一个实验消除这个变量？

如果厌倦了测量皮肤的阻值，你可以尝试把探针泡入一杯水中。然后在水中溶解一些盐，再次测试。你肯定听说过水能导电，但是这个过程可不那么简单。水中的杂质起着很重要的作用。

如果测试没有任何杂质的水的阻值，会发生什么呢？首先要获得一些纯水。所谓的纯净水通常在净化之后会添加一些矿物质，这不是你所需要的。同理，泉水也不完全纯净。你需要的是蒸馏水，也就是去离子水。蒸馏水通常能够在超市买到。你会发现，万用表探针间距 1 英寸²时，测得的蒸馏水电阻比同等距离下测得的湿润皮肤电阻要高。你可以尝试用实验验证一下。

以上是我现在能够想到的与电阻相关的所有实验。

电池的内部构造

9 V 电池内部的化学物质能够释放电子（带电粒子）。由于化学反应的作用，它们会从电池的一极流向另一极。将电池内部的单元想象为两个水箱——一个是满的，一个是空的。如果用水管和阀门把两个水箱连接起来，打开阀门，水将开始流动，直到两水箱的水面相平为止。上图会帮助你把这一过程形象化。与之类似，在电池的两极间打开电流通路时，电子将在两极间流动，即使这条通路只存在于你舌头上的水分之中。

电子在某些物质中（例如湿润的皮肤）比在其他物质中（例如干燥的皮肤）更容易流动。

实验2：短路一个电池

短路就是将电源的两端直接连接。
注意：请使用小电池
我要描述的这个实验比较安全，但是有些短路情况可能非常危险。千万不要将家中的电源插口短路，那将导致一声巨响，还有明亮的闪光。你所用的导线或工具将部分熔化，从熔融金属中飞出的颗粒会烧伤你，甚至弄瞎你。
如果将汽车电池短路，那么流过的电流会非常大，有可能导致电池爆炸。电池中的硫酸会洒你一身。

将扳手放在汽车电池接线柱之间，这会危及你的身家性命，即使只有 12V，只要电池容量足够大，短路都会是一件惊天动地的事情

锂电池常用在电动工具、笔记本电脑和其他便携式设备中。千万不要短路锂电池，它会起火，把人烧伤。而且，即使你没有将锂电池短路，它也会自燃，千万不要瞎摆弄锂电池

图中所示。在一些早期的笔记本电脑发生自燃之后，人们就对锂电池的包装就进行了改进，以防止自燃。但是短路锂电池依然是非常糟糕的主意。

水箱中水面的高度与水压成正比，这一点与电压类似。图能帮助你把这个概念形象化。
电子是从哪里来的呢？
电池内部的化学反应释放了这些电子，产生了电压。电压的单位是伏特³，根据另一位电学先驱亚历山德罗 • 伏特（Alessandro Volta）命名。
当电子流过导线时，一段时间内的电子流量称为安培数，它是由另一位电学先驱安德烈 • 玛丽 • 安培（André-Marie Ampère）的名字命名的。电子流通常称为电流⁴。以安培为单位的电流产生了热量。

将电压想象成压力。
将安培想象成流速，这就是电流。

导线的电阻很小。当仅有一根导线连接电池两极时，通过导线的电流比通过你的舌头的电流大得多，从而会产生更多的热量。如果其他所有因素保持不变，那么情况如下所述。

较低的电阻允许较大的电流通过。
电流产生的热与一段时间内流过导体的电流量成正比。
以下是另外一些基本概念。
每秒钟流过的电流用安培（通常简称安）度量。
引起电流的电的压力用伏特度量。
对电流的阻力（电阻）用欧姆度量。
较大的电阻会限制电流。
较高的电压可以克服电阻、增大电流。电压、电阻和安培数（压力、阻力和流量）之间的关系如图所示。

实验3：如何熔断保险丝

在你短路电池时，究竟有多大的电流流过了电池架上的导线呢？我们能不能测量它？

这并不容易，因为使用万用表测量大电流有可能熔断万用表内部的保险丝。因此，请把万用表放在一旁，我们将使用 3A 保险丝，它不值多少钱，可以牺牲。
首先请仔细检查保险丝，可能的话，用放大镜检查。你应该能在汽车保险丝中央的透明窗口内看到一个微小的 S 形的东西。这个 S 形的东西是一片很容易熔化的薄金属片，

如图所示。玻璃套筒保险丝中有一片薄导线，起同样的作用。

用两根测试引线连接保险丝和电池架，如图所示。

把一节新电池放入电池架，观察保险丝的变化。保险丝中央的金属会熔化从而断裂。

基础知识：

伏特

伏特是一个国际单位，用大写字母 V 表示。在美国和欧洲的大部分地区，家用交流电源电压为110 V、115 V 或 120 V，而重型设备的独立电路电压为 220 V、230 V 或 240 V。固态电子元器件一般都要使用 5 V~20 V 的直流电。有的元件（例如麦克风）以毫伏计算工作电压，简记为 mV，1 毫伏是 1 伏特的千分之一。当电力远距离输送时，其大小用千伏计算，简记为 kV。还有一些远距离输电线用兆伏计算电压。毫伏、伏特和千伏

安培

安培是一个国际单位，用大写字母 A 表示。家用电器的电流能够达到几安培，而美国的标准断路器额定电流为 20 A。电子元器件的额定电流通常为毫安，简记为 mA，1 毫安是 1 安培的千分之一。液晶显示器的工作电流以微安计算，简记为 μA，1 微安是 1 毫安的千分之一。安培、毫安和微安之间的转换关系

直流电和交流电

从电池中流出的电流是直流电。就如同从水龙头中流出的水流，直流电是沿一个方向流动的稳定电流。
而从家用电源插座得到的电流就十分不同了。插座火线中的电流每秒钟相对于零线从正到负变化 60 次。这就是交流电，它更像洗车的电动清洗器产生的脉冲水流。
有些目的必须用交流电来实现，例如，长距离输电要升高电压。交流电也常用于电动机和家用电器。电源插座的各部分如图所示。

图中，A 插孔连着插座的火线，提供一个（相对于插孔 B）正负交变的电压。插孔 B 连着零线。如果电器发生故障，例如内部连线松动，插孔 C 会将电压导入大地，起到保护作用。

电池的发明者

亚历山德罗 • 伏特，1745 年在意大利出生，当时科学还远未分化成各个学科。在研究了化学之后（他于 1776 年发现了甲烷），他成了一名物理学教授，并对所谓的伽伐尼效应（即青蛙的大腿在静电刺激下的抽动现象）产生了兴趣。
伏特用一个装满盐水的酒杯证明，在两种电极之间（一种为铜，另一种为锌）发生的化学反应会产生稳定的电流。1800 年，他对自己的装置进行了改进，将铜板和锌板堆叠起来，二者之间用吸满盐水的纸板分隔。这个“伏特堆”是西方人发明的第一块电池。

电磁学之父

安德烈 • 玛丽 • 安培（肖像见图 1-41），1775 年在法国出生，是个数学神童。他在父亲的图书馆里自学，成为了一名科学教师。他最著名的成就是在 1820 年总结了电磁学理论，描述了电流产生磁场的方法。他还制造了第一台测量电流的仪器（现在称为检流计），并发现了氟
元素。

保险丝原理

保险丝也被称为熔断器，它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。保险丝的作用是：当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，并且升高的电流有可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若电路中正确地安置了保险丝，那么，保险丝就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时间，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。

最早的保险丝于一百多年前由爱迪生发明，由于当时的工业技术不发达白炽灯很贵重，所以，最初是将它用来保护价格昂贵的白炽灯的。保险丝的工作原理是怎样的？

我们都知道，当电流流过导体时，因导体存在一定的电阻，所以导体将会发热。且发热量遵循着这个公式：Q=0.24I2RTQ=0.24I^2RTQ=0.24I2RT；其中Q是发热量，0.24是一个常数，I是流过导体的电流，R是导体的电阻，T是电流流过导体的时间；依此公式我们不难看出保险丝的简单的工作原理了。

保险丝的电阻R相对固定（若不考虑它的电阻温度系数）。当电流流过它时，它就会发热，随着时间的增加其发热量也在增加。电流与电阻的大小确定了产生热量的速度，保险丝的构造与其安装的状况确定了热量耗散的速度，若产生热量的速度小于热量耗散的速度时，保险丝是不会熔断的。

若产生热量的速度等于热量耗散的速度时，在相当长的时间内它也不会熔断。若产生热量的速度大于热量耗散的速度时，那么产生的热量就会越来越多。又因为它有一定比热及质量，其热量的增加就表现在温度的升高上，当温度升高到保险丝的熔点以上时保险丝就发生了熔断。这就是保险丝的工作原理。们从这个原理中应该知道，您在设计制造保险丝时必须认真地研究您所选材料的物理特性，并确保它们有一致几何尺寸。因为这些因素对保险丝能否正常工作起了致关重要的作用。同样，您在使用它的时候，一定要正确地安装它。

欧姆: ohm ↩︎
1英寸=2.54厘米 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
伏特(Volta) ↩︎
安培：Ampere ↩︎