灯要亮,电流必须走完一整圈
电池、小灯、两根导线。接上的一瞬间灯亮了——可这不是“接上就好”那么简单:电流从电池一端出发,穿过导线、流过灯、再沿另一根线回到电池。必须是一条完整的圈。
断开任意一个接头,灯都会很快熄灭。电荷原本就在导线里,不是等某一颗从电池跑到灯,灯才亮。画面里的紫环只帮我们追踪路线:沿着它走,看看整条圈有没有接通。
开关就是一个人为的断口。合上,圈闭合,灯亮;断开,圈断,全灭——无论它被装在回路的哪个位置。
用干电池和配套小灯泡搭回路
请大人准备一套低压电路实验材料:带电池盒的干电池、额定电压与电池匹配的小灯泡和灯座、开关、绝缘导线。使用灯丝小灯泡,不把 LED 当作能直接替换的零件。
- 先断开开关。 按「电池 → 开关 → 灯泡 → 电池」连接,每个接头都接到金属触点。
- 合上再观察。 灯泡亮了,再断开任意一个接头,看灯是否熄灭。先断开电池,再移动导线。
- 改变开关位置。 把开关移到灯泡另一侧;只要仍在同一条串联回路里,它仍能控制灯泡。
- 比较两盏灯。 用同样、与电源匹配的小灯泡,先在动画中比较串联与并联,再由大人按实验套装说明搭接。真实电池的电压会下降,真实灯泡电阻也随温度改变,亮度不必与理想动画完全一样。
猜一猜:并联的一条支路断开,另一条还有完整回路吗?先沿导线追一圈,再看结果。
只使用实验套装规定的干电池电源,绝不用插座。 不要让导线直接连接电池两端,短路会使电池和导线发热。
欧姆定律,以及串联并联的账
展开:灯泡与 LED 的区别
本课动手材料使用与电源匹配的灯丝小灯泡。若使用 LED,需按说明匹配供电和限流电阻,每条并联 LED 支路都要适当限流;一节 1.5 V 电池也不保证能点亮 LED。
展开:电压、电流、电阻写成公式
拿水路来想:电池像水泵,把电荷“抬”到高水位;导线像水管;灯像水车,被水流推着转。抬得越高(电压越大),水流越急(电流越大),灯越亮。欧姆把它写成了公式(OpenStax College Physics 20.2):
I 是电流(安培),V 是电压(伏特),R 是电阻(欧姆)。这里把电池近似成电压不变的电源,把灯近似成阻值不变的电阻,所以实验读数是:电压从 1.5 V 调到 3 V,电流正好翻倍。
两个一样的灯串联成一条回路,电阻相加,电流减半,电压被平分:
每个灯只分到 V / 2,功率变成 P = V²/4R——只有单接一盏的四分之一,所以两盏都暗。老式小彩灯一坏全灭,就是串成一条链的代价。
并联时每个灯都单独和电池组成回路,各自分到全部电压,亮度都不减;代价在电池,干路电流是各支路之和(OpenStax College Physics 20.3):
家里的插座为什么是并联
家里的电器全是这样并排着的:每一个都单独与电源组成回路,开关一盏灯不会熄掉邻居。楼道里的总闸在干路上,一断全屋停电;房间里的灯开关在支路上,只管那一盏——正是演示第六章的通断矩阵。
两个小注:示意图画的是惯例电流方向(从 “+” 出发);金属导线里实际挪动的是电子,方向相反,这不影响任何计算。电表计费的是功率对时间的累积 W = P t,并联电器越多,电池(或电网)出力越大。
下次按下开关时,试着同时想三件事:这条圈闭上了吗?电流有多大?这个开关管着几盏灯?