以水的基本現(xiàn)象談電的基本概念

本文用“類比”的方法．結(jié)合水的基本現(xiàn)象談電的基本概念，可以讓初學(xué)者能夠更好地理解電，印象也深刻。

1．電阻

電阻是導(dǎo)體對電流的阻礙作用。阻值的大小是導(dǎo)體對電流的阻礙能力的強弱。不同的導(dǎo)體其電阻值也不盡相同，這是導(dǎo)體的一種自然屬性。從R=pL/S得知阻值的大小與導(dǎo)體的材料有關(guān)，與該導(dǎo)體的長度成正比，與該導(dǎo)體的橫截面成反比。

做如下實驗：取兩塊木板，材料相同，長度、寬度完全相同。木板正中心位置同樣開孔，只是一個孔大些，一個孔小些，如圖1所示。將它們直立在水中劃動，作用力的方向與木板在水中劃動時所受阻力方向相反，孔大的木板要比孔小的木板在水中劃動時所受阻力要小些，因為用同樣的力，使兩木板在水中劃動，孔小的所能通過的水量沒有孔大的所能通過的水量多，實際是孔小的比孔大的木板相對的水流表面更大些，阻力自然也就大些了，這樣驗證電阻值大的導(dǎo)體對電流的阻礙能力就強些。

用這樣的“類比”十分形象地反映了電阻、電流的相互關(guān)系，得出結(jié)論為：阻值小的導(dǎo)體對電流的阻礙能力就弱些，阻值大的導(dǎo)體對電流的阻礙能力就強些。此實驗中木板對水流的阻力類比電阻，水流類比電流，木板在水中劃動需要克服木板對水的阻力，消耗一部分功。如果加快兩塊木板在水中的運動速度，則孔小的木板所流過的水量在單位時間內(nèi)就沒有孔大的木板所流過的水量多。

而電也是相似的，電流從導(dǎo)體流過也需要消耗功，導(dǎo)體中Q=pt=I2Rt(Q為電能)，流經(jīng)導(dǎo)體的電流在該導(dǎo)體中所做的功，也就是電流在該導(dǎo)體中所消耗的能量。同樣的材料，同等的環(huán)境，所能通過的電流越多，根據(jù)焦耳定律在該導(dǎo)體中所產(chǎn)生的熱量及消耗的功也就越多。電能在線路中的損耗與流經(jīng)的電流平方及該線路自身電阻有直接的關(guān)系，與電壓并無直接的關(guān)系。為了遠(yuǎn)距離傳輸電能，把電流盡量的減小，而電壓盡量的提高(只要保證電能傳輸前的電壓與電流的積與傳輸?shù)侥康牡氐碾妷号c電流的積基本不變就可以實現(xiàn)了)。高壓輸電線就是為了克服長距離輸電在線路上的電能損耗，這是采用高電壓輸送電能的原因。電阻是導(dǎo)體的一種自然屬性，是導(dǎo)體就有電阻存在(在特定條件下形成的超導(dǎo)除外)。當(dāng)然不能和水完全一樣，在這里只是類比，目的是使初學(xué)者容易理解。

用這種物理上稱為“類比”的方法會使初學(xué)者更容易理解。

2．電壓

電壓是電路中兩點間的電位差，其參考點的不同就得到不同的電壓數(shù)值。一個完整的動力供電系統(tǒng)是由三根相線和一根中性線組成的，三根相線的相位互差120°，又稱三相四線系統(tǒng)。我國220V的市電就是從380V的動力電中選取任意一相線作為火線，與這個動力線的共用的中性線作為零線，它們之間的電位差即為220V(相線與相線之間為380V，任一相線與中性線之間的電位即為220V)。

作為同一電位因為所取參考點的不同會得到不同的電壓數(shù)值。“類比”在河中間的攔河大壩，水位高時水對大壩的壓力就大些，水位越高大壩所承受的壓力就越大，大壩也就越危險，水位高到一定程度大壩會坍塌，水位低時水對大壩的壓力也就小些。電壓也是這樣，額定情況下電壓越高越危險，高到一定程度會損壞原有的絕緣，把絕緣擊穿，這也相當(dāng)于上述越往水深處壓力就越大越會發(fā)生危險。還有在不同的水深處，水的壓力是不一樣的，這和電所選取參考點測量電壓數(shù)值也基本一致，這也是水和電的共性，這樣的類比，同樣使初學(xué)者很容易理解電壓的特征，所以這里把電壓類比水壓。

3．電流

電流是在導(dǎo)體中流過單位時間的電量。“類比”為在水壓一定時，用內(nèi)徑較小的管子和用內(nèi)徑較大的管子在同一時間內(nèi)流出的水量是不一樣的，從而悟出導(dǎo)體的截面與通過的電流有一定的關(guān)系。截面小的導(dǎo)體所能通過的電流就相對小些，反之，截面大的導(dǎo)體所通過的電流就相對要大些(上述實驗也能說明兩木板在水中劃動速度一樣的情況下，從各個孔所流過的水量也是不一樣的)。另外，在管壁強度和水壓都一定的情況下，細(xì)的管子很容易爆裂。當(dāng)電流通過導(dǎo)體時，在額定值以下是安全的，超過額定值也就是超過此材料在此環(huán)境時的承受能力，也就是說類比水在管子內(nèi)壓力超過該材料的允許能力。

同理，通過導(dǎo)線的電流都一定的情況下，線徑越小越會發(fā)熱被損壞。道理很簡單：因為電線本身存在一定的電阻，根據(jù)“焦耳定律”在電線上產(chǎn)生越來越多積聚的熱量，使電線發(fā)熱而燒壞。這樣的類比也同樣使初學(xué)者很容易理解。

任何導(dǎo)體都有電阻(除特定條件下形成的超導(dǎo)現(xiàn)象)，只是不同的導(dǎo)體對電流的阻礙能力有所不同。在電路中，導(dǎo)體的電阻限制了電流的流動，同時也消耗了一部分電能。正是因為電阻的存在使導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生了電位差。導(dǎo)線越長，阻值越大，遠(yuǎn)距離供電中，輸電線路采用高壓輸電，目的是減少電能在輸電線路上的損失，比如：給水施加一定的壓力，水會流得更快些，因此水和電有類似之處。

事實上，還有其它的物理量和定理也可以應(yīng)用“類比”的方法來幫助初學(xué)者理解和領(lǐng)會再到運用。比如基耳霍夫第一定律就完全可以運用水來類比，如圖2所示。由圖2可以直觀的反映出電流和水流的相似之處。

以上是筆者在實際中的一點見解，可能會有不妥之處。還望同仁批評指正!