A-level 物理/電子、波和光子/電流

電能之所以有用，是因為我們可以很容易地將其轉化為其他形式的能量，例如光、聲和熱。電能透過導線以電流的形式從一個地方傳輸到另一個地方。

電流和電荷

電流是指帶電粒子（通常是電子）在電路中流動。金屬是良好的導體，因為它們具有可以輕鬆移動的自由電子。

電流的單位是安培。

帶電粒子具有正電荷或負電荷。可以使用以下公式找到電荷的強度：

$Q=I\times t$

其中 Q 是電荷量（庫侖），I 是電流（安培），t 是時間（秒）。

我們可以用這個公式來定義庫侖。

一庫侖是指當 1 安培的電流持續 1 秒時，流過某一點的電荷量。

電子流

當你用導線將電池連線到一個小燈泡時，你會說電流從電池的正極流向負極。這被稱為常規電流。然而，電子是從負極流向正極。這種電子流的方向與常規電流相反，必須注意不要混淆兩者。當我們只說電流時，假設我們指的是常規電流。

這樣做的原因是，在人們瞭解導體中電流流動時內部發生的事情之前，就已經選擇了常規電流的方向。

在 A-level 中，以庫侖為單位的電荷量是電流（安培）與時間（秒）的乘積。

電阻

任何具有電阻的元件都會阻礙電流的流動。

電阻

在電路中，電流環繞電路流動。電路中的每個元件都具有一定的電阻，該電阻會阻礙電流的流動。

電源提供的電壓可以簡單地描述為給電子提供的“推力”，使其在電路中流動。

因此，可以認為電壓越大，電流越大，電阻越大，電流越小。那麼，流過電路的電流可以用以下公式表示：

$I={\frac {V}{R}}$.

例如，如果你將一個 9 伏特的電源連線到一個 3 Ω（讀作 3 歐姆）的電阻器上，你可以使用上面的公式來計算電流。$I={\frac {9}{3}}$，所以 $I=3A$。

該公式的一種特殊形式用於定義電阻和歐姆。

$R={\frac {V}{I}}$.

這意味著元件的電阻是在透過該元件的每單位電流下，該元件兩端的電壓。更正式地說，可以寫成：

電路中元件的電阻是該元件兩端電壓與其電流之比。

電阻的單位，歐姆（Ω），定義為：當透過元件的電流為 1 安培時，元件兩端的電壓為 1 伏特。換句話說，一歐姆等於一伏特每安培。

歐姆定律

在許多元件中，其兩端的電壓與其透過的電流成正比。你可以在一個包含已知電阻的電阻器、電壓表、電流表和具有可變電壓的電源的電路中觀察到這一點。當你增加電壓時，電流也會增加。你會得出結論，$V\propto I$，比例常數等於 $R$。這給了我們 $V=IR$，這是我們熟悉的公式的一種形式。

其中 $V\propto I$的元件被稱為歐姆導體，其電阻為常數。它們被稱為遵循歐姆定律，該定律指出：

如果電源電壓保持不變，電流的大小與電阻成反比。

      OR

如果溫度保持不變，透過導體的電流與其兩端的電壓成正比。

需要注意的是，並非所有元件都是歐姆導體，它們的電阻值可能會有所變化。您需要使用公式$R={\frac {V}{I}}$來計算特定$V$和$I$值的電阻。

下面你可以看到3個圖，縱軸表示電流，橫軸表示電壓。當圖線為直線時，電壓與電流成正比。因此，只有金屬導體是歐姆導體。

二極體和燈絲燈是**非歐姆**導體的兩個例子。二極體被設計為只允許電流在一個方向上透過，因此其圖中使用了負值。燈絲燈的溫度不恆定，而根據歐姆定律，元件要成為歐姆導體，其溫度必須恆定。相反，當電流透過它時，它會發熱，這會影響電阻。

電阻率

材料的**電阻率**是決定其單位長度和單位橫截面積電阻的屬性。例如，銅比鉛導電性更好，換句話說，鉛的電阻率比銅高。你可以用這種方式比較不同的材料。

電阻率，ρ（希臘字母rho），由以下公式定義

$\rho ={\frac {RA}{l}}$

其中ρ是電阻率，R是電阻，A是材料的橫截面積，l是材料的長度。

電阻率的單位是歐姆米，Ωm。

如果我們將上述公式重新排列，使

$R={\frac {\rho l}{A}}$

你可以看到，隨著導線長度的增加，其電阻也會增加，而隨著導線橫截面積的增加，其電阻會減小。前提是溫度保持恆定，並且始終使用相同的材料，以確保電阻率保持不變。

電壓和能量

前面，我們簡單地說電壓是給予電子或電荷單位的“推力”。現在，我們將從能量的角度來考察電壓，並找到伏特的更準確定義。

電勢差

當你在元件兩端連線電壓表時，你測量的電壓就是**電勢差**(PD)。電能正在被元件消耗，因此我們可以說電勢差是電荷**損失能量**的電壓。電勢差的符號為V。

根據定義，電勢差是指將單位電荷從一點移動到另一點時，從電能轉換為其他形式能量的能量。因此，如果電阻的PD為2V，則如果3庫侖的電荷透過它，則消耗的能量為6焦耳。

電勢差是單位電荷損失的能量，可以用以下公式表示

$V={\frac {W}{Q}}$

電動勢

電池向電路提供一定的電壓，電子在流過電池時**獲得能量**。這種電荷獲得能量的電壓稱為**電動勢**(EMF)，以伏特(V)為單位測量。其符號為ε。

EMF是單位電荷獲得的能量，可以用以下公式表示

$E={\frac {W}{Q}}$

PD和EMF都以伏特為單位測量，一伏特等於一焦耳每庫侖。

電能和功率

功率是能量轉換的速率，用以下公式表示

$P={\frac {W}{t}}$

為了找到電功率的公式，我們取電壓的以下公式，並將W作為主語

$V={\frac {W}{Q}}$

$W=QV$

然後我們需要將兩邊除以t以得到功率

${\frac {W}{t}}={\frac {QV}{t}}$

回想一下，電荷除以時間是電流，我們現在有

$P=I\times V$

從上面的公式可以看出，電功率僅僅是電流和電壓的乘積。你可以將它與$V=IR$結合起來，得到另外兩個公式

$P=I^{2}R$

$P={\frac {V^{2}}{R}}$

最後一個公式是關於能量的，它由功率公式推導而來。

$P={\frac {W}{t}}=IV$

$W=IVt$