學習第一步 電子的基礎知識--圖文介紹電阻器

1．什么是電阻？

2．電阻的知識有什么用？

一、導體對電流的阻礙作用——電阻

    常用的導線通常是用銅或鋁做的，特別重要的用電設備的導線還要用昂貴的銀來做．鋼鐵也是導體，又多又便宜，那么，為什么不用鋼鐵來做導線呢？

　　實驗1 按圖1所示將長2米、橫截面積為1毫米2的錳銅線AB連入電路，閉合開關，觀察電流表的示數(shù)；用同樣長度和橫截面積的鎳鉻合金線CD代替AB，再接通電源，觀察電流表的示數(shù)．比較這兩次的電流值．

　　電阻的大小和單位從上述實驗看到，在相同的電壓下，通過錳銅線的電流，比通過鎳鉻合金線的電流大．

　　這是什么原因呢？原來，導體雖容易導電，卻同時對電流有阻礙作用．在相同的電壓下，通過錳銅線的電流較大，表明錳銅線對電流的阻礙作用較小；通過鎳鉻合金線的電流較小，表明鎳鉻合金線對電流的阻礙作用較大．在物理學中，用電阻來表示導體對電流阻礙作用的大?。畬w的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大．不同的導體，電阻一般不同，電阻是導體本身的一種性質．

　　導體的電阻在國際上通常用字母R表示，電阻的單位是歐姆，簡稱歐，符號是Ω．如果導體兩端的電壓是1伏，通過的電流是1安，這段導體的電阻就是1歐．比較大的單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ），它們的換算關系如下：

　　1兆歐=1000千歐，

　　1千歐=1000歐．

　　手電筒的小燈泡，燈絲的電阻為幾歐到十幾歐；日常用的白熾燈，燈絲的電阻為幾百歐到幾千歐．實驗室用的約1米長的銅導線，電阻小于百分之幾歐，通常可以略去不計．

　　在電子技術中，要經常用到具有一定阻值的元件——電阻器，也叫做定值電阻，簡稱電阻（圖2）．

　　圖2電阻器的外形．

　　決定電阻大小的因素 在實驗1里，錳銅線和鎳鉻合金線是用不同材料制成的，它們的長短、粗細都相同，但是對電流的阻礙作用卻不同，這說明電阻的大小跟導體的材料有關．

　　我們再考慮了一下，用相同材料做的導體，電阻的大小還跟哪些因素有關呢？

　　實驗2 在圖1所示的實驗中，改用橫截面積相同而長度不同的兩條鎳鉻合金線，分別將它們接入電路，觀察電流表的示數(shù)．

　　導體的電阻跟長度有關

　　實驗結果表明，較長的鎳鉻合金線中電流?。梢妼w的電阻跟它的長度有關系：導線越長，電阻越大．

　　實驗3 再改用長度相同而橫截面積不同的兩條鎳鉻合金線，分別接入電路，比較通過它們的電流大?。?/P>

　　導體的電阻跟橫截面積有關

　　實驗結果表明，橫截面積較小的鎳鉻合金線中電流?。梢妼w的電阻跟它的橫截面積有關系：橫截面積越小，電阻越大．

　　導體的電阻是導體本身的一種性質，它的大小決定于導體的材料、長度和橫截面積．

　　實驗4 把日光燈的燈絲（鎢絲）或用細鐵絲繞制的線圈，接入圖1的ab點．緩慢地給燈絲或線圈加熱，注意觀察加熱前后電流表的示數(shù)有什么變化．

　　導體的電阻跟溫度有關

　　我們看到，導體被加熱后，電路中的電流減小了，表明導體的電阻增大了．可見，導體的電阻還跟溫度有關系．對大多數(shù)導體來說，溫度越高，電阻越大．但也有少數(shù)導體，電阻隨溫度的升高而減小．

　　下面列出了一些材料制成的長1米、橫截面積1毫米2的導線在20℃時的電阻值①

　　想想議議 假如讓你架設一條輸電線路，在鋁線和鐵線之間，你選用哪種？說說你的理由．

　　練 習

　　1．有兩段導體1和2，在相同的電壓下，通過導線1的電流較大，通過導線2的電流較小，哪段導線的電阻大？

　　2．電阻的單位是____，簡稱____．

　　3．24 000歐=____千歐=____兆歐．

　　4．導體的電阻是導體本身的一種性質，它的大小決定于導體的____、____、____和____．

二、變阻器

　　一幕話劇要開始了，劇場里的照明燈逐漸由亮變暗，把人們帶入劇情．現(xiàn)在請你設想一下，在不改變電壓的情況下，有沒有辦法來逐漸改變燈泡的亮度？

　　實驗 把一個叫做滑動變阻器的裝置跟小燈泡一起串聯(lián)在電路里，如圖3所示．合上開關后，左右移動滑片，同時觀察小燈泡的亮度．

　　圖3用滑動變阻器改變小燈泡的亮度

　　我們看到，隨著滑片的移動，燈泡的亮度逐漸發(fā)生變化，由亮逐漸變暗，或由暗逐漸變亮．

　　滑動變阻器為什么能使燈泡的亮度逐漸發(fā)生變化呢？原來滑動變阻器是用電阻率較大的合金線制成的，這種合金線又叫電阻線，改變電阻線在電路中的長度，就可以逐漸改變電阻，從而逐漸改變電流，使小燈泡的亮度逐漸變化．

　　圖4是實驗室里常用的一種滑動變阻器．請你自己對照實物和圖4，弄清滑動變阻器的構造、原理和用法．然后認真做圖5的實驗，學會使用滑動變阻器．

　　圖4 滑動變阻器

　　套在瓷筒或膠木筒上的線圈由表面涂著絕緣漆的電阻線繞成，它的一個頭與接線柱A相連，筒上方的金屬棒架在絕緣瓷架上，棒的一端有一接線柱D．套在金屬棒上的金屬滑片可在棒上滑動，并與線圈緊密接觸，線圈上能接觸滑片的地方，絕緣漆已被刮去．接線柱A和D用來把滑動變阻器連入電路中，當滑動變阻器連入電路中時，實際上是把接線柱A到滑片之間的電阻線連入電路．滑片向A端移動，連入電路的電阻線變短，于是電阻變?。换駾端移動，連入電路的電阻變大．右上角畫的是變阻器在電路圖中的符號．

　　實驗 先仔細觀察滑動變阻器，看向哪方移動滑片是使電阻增大，向哪方移動滑片是使電阻減少．然后按圖5所示連接電路，移動滑片使電阻增大，電流減小．觀察電流表的示數(shù)變化以及小燈泡的亮度變化，看你做得是否正確．再做一次使電流增大的實驗．你做對了嗎？

　　變阻器在技術上有重要的應用，調節(jié)收音機和電視機音量大小的電位器，就是一種變阻器（圖6）．
 
　　圖6 收音機中的電位器

　　每一個變阻器都有規(guī)定的最大電阻和允許通過的最大電流，使用時要根據(jù)需要進行選擇，不能使通過的電流超過最大值，否則會燒壞變阻器．通常在使用前應將電阻調到最大．

　　電阻箱 滑動變阻器能夠逐漸地改變連入電路的電阻，但不能表示出連入的阻值．電阻箱是一種能夠表示出阻值的變阻器．

三、半導體

　　學過電阻的知識以后，我們可以進一步懂得導體和絕緣體的區(qū)別．導體容易導電，是因為它的電阻很小，絕緣體不容易導電，是因為它的電阻很大．一般說來，絕緣體的電阻比導體的電阻大1013（十萬億）倍以上．

　　還有一些材料，導電性能介乎導體與絕緣體之間．它們的電阻比導體大得多，但又比絕緣體小得多．這類材料就叫做半導體．鍺、硅、砷化鎵等，都是半導體．

　　當作導體來使用，半導體的電阻太大了．當作絕緣材料來使用，半導體的電阻又太小了．似乎半導體沒有什么用處了．其實不然，半導體有許多特殊的電學性能，使它獲得了多方面的重要應用．

　　有的半導體，在受到壓力后電阻發(fā)生較大的變化．利用這種半導體可以做成體積很小的壓敏元件，它可以把壓力變化轉變成電流的變化．使人們在測出電流變化后也就知道了壓力的變化．

　　有的半導體，在受熱后電阻隨溫度的升高而迅速減?。眠@種半導體可以做成體積很小的熱敏電阻．熱敏電阻可以用來測量很小范圍內的溫度變化，反應快，而且精確度高．

　　有的半導體，在光照下電阻大為減?。眠@種半導體可以做成體積很小的光敏電阻．沒有光照時，光敏電阻就像絕緣體那樣不容易導電；有光照時，光敏電阻又像導體那樣導電．因此，光敏電阻廣泛應用到需要對光照反映靈敏的許多自動控制設備中．

　　半導體還有許多奇妙的電學性能，上面舉出的只是幾個淺顯的例子．正是由于它的這些特性，人們用半導體做成了許許多多用途不同的元件，廣泛應用到各個方面．我們在后面的第十五章里，還要再學到一些用半導體做成的電子元件的有趣的應用．

四、超導體

　　1911年，荷蘭物理學家昂尼斯（1853～1926）測定水銀在低溫下的電阻值時發(fā)現(xiàn)，當溫度降到-269℃左右時，水銀的電阻突然消失，也就是電阻變?yōu)榱悖院笥职l(fā)現(xiàn)還有一些金屬或合金，當溫度降到某一溫度時，電阻也會變?yōu)榱悖@種現(xiàn)象叫做超導現(xiàn)象，能夠發(fā)生超導現(xiàn)象的物質叫做超導體．物質的電阻變?yōu)榱銜r的溫度叫做這種物質的超導轉變溫度或超導臨界溫度，用Tc表示．物質的溫度低于Tc時具有超導性，高于Tc時失去超導性．

　　超導體如果能應用于實際，會給人類社會帶來很大的好處．

　　輸電導線有電阻，從發(fā)電廠把電送到各個用戶的過程中，由于電流的熱效應，輸電導線會發(fā)熱，造成電能的損耗，這是一種巨大的損失．利用超導體電阻為零的特性，可以大大降低輸電的損耗．

　　發(fā)電機和電動機中的線圈是用導體繞制的，如果用超導體制成超導線圈，可以裝配成質量小、功率大、效率高的發(fā)電機和電動機，具有很高的經濟效益．

　　利用超導體可制造出磁懸浮列車．這種列車行駛起來后，由于超導體中強大電流的磁性作用，列車受到向上的推力而懸浮，使列車與路軌之間脫離接觸，不產生摩擦．這種磁懸浮列車的運動時速可達幾百千米，從北京到上海，只需幾個小時．

　　目前超導體還只應用在科學實驗和高新技術中，這是因為一般的金屬或合金的Tc都較低，如鋁的Tc是-271.76℃，鉛的Tc是-265.97℃，要維持這樣的低溫，在技術上是非常困難的．幾十年來科學家一直期望有一天能夠得到在室溫下就能工作的超導材料．近些年，世界各國掀起了研究新超導材料的高潮，我國的研究工作走在世界的前列，1989年已找到Tc達-141℃的超導材料．目前，科學家們還在繼續(xù)研究Tc更高的超導材料，隨著研究工作的進展，超導體的應用也將日益普遍．本書編者希望在我們的青年讀者中，將來會有人在這個領域里作出新的貢獻．

　　小實驗 用自制滑動變阻器控制小燈泡的亮度

　　用木板、圖釘、薄鐵片、細銅絲（或細鐵絲）、小木夾等，做一個電池夾和一只小燈泡座．

　　用小刀將鉛筆剖成兩半，留下附著鉛筆心的那一半．在鉛筆心的一端接一根導線（用細線綁緊或用膠布粘?。?，以便把鉛筆心連入電路．用銅線在鉛筆上繞幾圈，做成一個能緊密接觸鉛筆心又能在鉛筆上滑動的銅環(huán)．這樣就做成了一個滑動變阻器．

　　用導體把電池、小燈泡和自制的變阻器連接起來，觀察銅環(huán)在鉛筆心上滑動時小燈泡亮度的變化．

　　在用一節(jié)干電池的情況下，要選用標有1.2V的小燈泡．