第二节 常用基本物理量及应用
一、电量
自然界中的一切物质都是由分子组成的，分子又是由原子组成的，而原子是由带正电荷的原子核和一定数量带负电荷的电子组成的。在通常情况下，原子核所带的正电荷数等于核外电子所带的负电荷数，原子对外不显电性。但是，用一些办法可使某种物体上的电子转移到另外一种物体上。失去电子的物体带正电荷，得到电子的物体带负电荷。物体失去或得到的电子数量越多，则物体所带的正、负电荷的数量也越多。
物体所带电荷数量的多少用电量来表示。电量是一个物理量，它的单位是库仑，用字母C表示简称库。
二、电流
电荷的定向移动形成电流。电流有大小，有方向。
（1）电流的方向
人们规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。金属导体中，电流是电子在导体内电场的作用下定向移动的结果，电子流的方向是负电荷的移动方向，与正电荷的移动方向相反，所以金属导体中电流的方向与电子流的方向相反，如图1-3所示。
图1-3 金属导体中的电流方向
（2）电流的大小
电学中用电流强度来衡量电流的大小。电流强度就是1秒钟通过导体截面的电量。电流强度用字母I表示，计算公式如下：
（1-1）
式中 I——电流强度，A；
Q——在t秒时间内，通过导体截面的电量数，C；
t——时间，s。
实际使用时，人们把电流强度简称为电流。电流的单位是安培，简称安，用字母A表示。实际应用中，除单位安培外，还有千安（kA）、毫安（mA）和微安（A）。它们之间的关系为：
1kA=103A
1A=103mA
1mA=103μA
三、电压
为了弄清楚电荷在导体中定向移动而形成电流的原因，我们对照图1-4（a）水流的形成来理解这个问题。
图1-4 水流和电流形成
从图1-4（a）可以看到外水由A槽经C管向B槽流去。水之所以能在C管中进行定向移动，是由于A槽水位高，B槽水位低所致：A，B两槽之间的水位差即水压，是实现水形成水流的原因。与此相似，当图1-4（b）中的开关S闭合后，电路里就有电流。这是因为电源的正极电位高，负极电位低。两个极间电位差（电压）使正电荷从正极出发，经过负载R移向负极形成电流。所以，电压是自由电荷发生定向移动形成电流的原因。在电路中电场力把单位正电荷由高电位a点移向低电位b点所做的功称为两点间的电压，用Uab表示。所以电压是a与b两点间的电位差，它是衡量电场力做功本领大小的物理量。
电压用字母U表示，单位为伏特，简称伏，用字母V表示。电场力将1库仑电荷从a点移到b点所做的功为1焦耳，则ab间的电压值就是1伏特。常用的电压单位还有千伏（kV），毫伏（mV）等。它们之间的关系为：
1kV=103V
1V=103mV
电压与电流相似，不但有大小，而且有方向。对于负载来说，电流流入端为正端，电流流出端为负端。电压的方向是由正端指向负端，也就是说负载中电压实际方向与电流方向一致。在电路图中，用带箭头的细实线表示电压的方向。
四、电动势、电源
在图1-4（a）中，为使水在C管中持续不断地流动，必须用水泵把B槽中的水不断地泵入A槽，以维持两槽间的固定水位差，也就是要保证C管两端有一定的水压。在图1-4（b）中，电源与水泵的作用相似，它把正电荷由电源的负极移到正极，以维持正、负极间的电位差，即电路中有一定的电压使正电荷在电路中持续不断地流动。
电源是利用非电力把正电荷由负极移到正极的，它在电路中将其他形式能转换成电能。电动势就是衡量电源能量转换本领的物理量，用字母E表示，它的单位也是伏特，简称伏，用字母V表示。
电源的电动势只存在于电源内部。人们规定电动势的方向在电源内部由负极指向正极。在电路中也用带箭头的细实线表示电动势的方向，如图1-4（b）所示。当电源两端不接负载时，电源的开路电压等于电源的电动势，但二者方向相反。
生活中用测量电源端电压的办法，来判断电源的状态。比如测得工作电路中两节5号电池的端电压为2.8V，则说明电池电量比较充足。
五、电阻
一般来说，导体对电流的阻碍作用称为电阻，用字母R表示。电阻的单位为欧姆，简称欧，用字母Ω表示。
如果导体两端的电压为1伏，通过的电流为1安，则该导体的电阻就是1欧。
常用的电阻单位还有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ）。它们之间的关系为：
1kΩ=103Ω
1MΩ=103kΩ
六、电功、电功率
电流通过用电器时，用电器就将电能转换成其他形式的能，如热能、光能和机械能等。我们把电能转换成其他形式的能叫作电流做功，简称电功，用字母W表示。电流通过用电器所做的功与用电器的端电压、流过的电流、所用的时间和电阻有以下的关系：
（1-2）
如果式（1-2）中，电压单位为伏，电流单位为安，电阻单位为欧，时间单位为秒，则电功单位就是焦耳，简称焦，用字母J表示。
电流在单位时间内通过用电器所做的功称为电功率，用字母P表示。其数学表达式为：
（1-3）
将式（1-2）代入式（1-3）后得到：
（1-4）
若在式（1-3）中，电功单位为焦耳，时间单位为秒，则电功率的单位就是焦耳/秒。焦耳/秒又叫瓦特，简称瓦，用字母W表示。在实际工作中，常用的电功率单位还有千瓦（kW）、毫瓦（mW）等。它们之间的关系为：
1kW=103W
1W=103mW
从式（1-4）中可以得出如下结论：
①当用电器的电阻一定时，电功率与电流平方或电压平方成正比。若通过用电器的电流是原来电流的2倍，则电功率就是原功率的4倍；若加在用电器两端电压是原电压的2倍，则电功率就是原功率的4倍。
②当流过用电器的电流一定时，电功率与电阻值成正比。对于串联电阻电路，流经各个电阻的电流是相同的，则串联电阻的总功率与各个电阻的电阻值的和成正比。
③当加在用电器两端的电压一定时，电功率与电阻值成反比。对于并联电阻电路，各个电阻两端电压相等，则各个电阻的电功率与各电阻的阻值成反比。
在实际工作中，电功的单位常用千瓦小时（kW·h），也叫“度”。1千瓦小时是1度，它表示功率为1千瓦的用电器1小时所消耗的电能，即：
1kW·h=1kW×1h=3.6×106J （1-5）
例题1 一台42in（1in=2.54cm）等离子电视机的功率约为300W，平均每天开机3h，若每度电费为人民币0.48元，问一年（以365d计算）要交纳多少电费？
解：
电视机的功率P=300W=0.3kW
电视机一年开机的时间t=3×365=1095h
电视机一年消耗的电能W=Pt=0.3×1095=328.5kW·h
一年的电费为328.5×0.48=157.68元。
七、电流的热效应
电流通过导体使导体发热的现象叫作电流的热效应。电流的热效应是电流通过导体时电能转换成热能的效应。
电流通过导体产生的热量，用焦耳-楞次定律表示如下：
Q=I2Rt （1-6）
式中 Q——热量，J；
I——通过导体的电流，A；
R——导体电阻，Ω；
t——导体通过电流的时间，s。
焦耳-楞次定律的物理意义是：电流通过导体所产生的热量，与电流强度的平方、导体的电阻及通电时间成正比。
在生产和生活中，应用电流热效应制作各种电器。如白炽灯、电烙铁、电烤箱、熔断器等在工厂中最为常见；电吹风、电褥子等常用于家庭中。但是电流的热效应也有其不利的一面，如电流的热效应能使电路中不需要发热的地方（如导线）发热，导致绝缘材料老化，甚至烧毁设备，导致火灾，是一种不容忽视的潜在祸因。
例题2 已知当一台电烤箱的电阻丝流过5A电流时，每分钟可放出1.2×106J的热量，求这台电烤箱的电功率及电阻丝工作时的电阻值。
解：
根据式（1-3），电烤箱的电功率为
电阻丝工作时电阻值为
