引言
電阻是什麼？這是一個初中物理問題，它的定義是：“
電阻是一個物理量，在物理學中表示導體對電流阻礙作用的大小。導體的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大。”電阻的英文單詞為“Resistance”，通常以它的首字母“R”來表示。
色環電阻
為什麼導體對電流會有阻礙作用？換句話說，為什麼導體會存在電阻，並且導體不同電阻率會各不相同？為什麼電阻與導體的材料相關，還與導體的形狀、長度和橫截面積有關係？
要想搞清楚這些問題，我們需要先從電流在導體中傳輸的過程開始講起。
電流的形成
我們都知道，在金屬導體電路中，電流的產生伴隨著電子的定向移動，於是就有人將電流等同於電子的流動，他們覺得電流就像是水流一樣，只要一按開關，電子就會嘩嘩嘩地從一個地方流到另一個地方。
不應將電源開關比作水龍頭，二者有本質的區別
事實果真如此嗎？很遺憾，將電流比作水流大錯特錯。儘管在電勢差的作用下，金屬導體中確實會發生電子定向移動，但電子移動的相對平均速度比蝸牛還慢，而電路中的電流卻是在瞬間產生的。這是因為電流的本質是載流子對電場的傳遞，而不是載流子自身的運動。換句話說，電流不只是定向電子流，它實際是電場在電路中的建立和傳遞過程。
一個簡單電路，包括了電壓、電流和電阻
金屬導體之所以能夠導電，因為金屬原子最外層存在“自由電子”。在原子中，原子核裡的質子攜帶正電荷，圍繞原子核運動的電子攜帶負電荷。一般情況下，原子外圍的電子數量與原子核內的質子數量相同、電荷相反，正負電荷相互抵消，因此原子通常對外不帶電。由於金屬元素的特性，金屬最外層往往有一兩個電子比較活躍，它們並不總是很安分守己地在自己的軌道上運行，而是成群結隊地在附近晶格里亂竄。這些竄來竄去的電子被稱為“自由電子”，它一方面將金屬原子互相結合成金屬晶格，同時也使晶格中的金屬原子處於“原子——正離子”的動態變化之中。
電子與原子核
電子本身攜帶一個負電荷，負電荷會在周圍形成靜電場，靜電場在運動的過程中會輻射電磁波。由於自由電子在晶格間的運動方向是隨機的，它們輻射的電磁波會互相抵消，此時金屬中不會有電流產生。
自由電子攜帶負電荷，在它周圍會形成靜電場
一旦在導體兩端施加電壓（電勢差），情況立刻會發生變化。在外部電場的作用下，自由電子會集體向高電勢的正端移動，於是在電路中產生方向相同的電場，這就是電流。
電阻是什麼？
自由電子的運動並不會暢順無阻。有一些電子會被金屬離子的“空穴”重新捕獲 ，回到它的軌道上運行一會再離開，還有許多自由電子會像彈球機裡的彈球一樣在原子之間撞來撞去，試圖找到一條出路。這正是金屬導體的電子漂移速度慢得要死的真正原因。
我們在此前《 》一文中舉例計算過金屬導線電路中電子的漂移速度：假設給一條直徑2毫米的銅導線通上1安培電流，其中自由電子的漂移速度僅為每小時83毫米，而自由電子在導線中未通電狀態下的費米速度卻高達每秒1570公里！為什麼會出現如此巨大的反差？
其實這二者之間並無矛盾。在金屬中，費米能級位於導帶，產生自由傳導電子，自由電子的費米流速反應的是電子在原子晶格間的彈道速度，它的運動距離極短；而電子漂移速度指的是它在電路中沿電場方向的相對運動速度，正是與原子間的不斷碰撞阻礙了電子向高電勢方向的運動。
自由電子在電勢差作用下定向移動，同時與原子發生碰撞
那麼，自由電子被原子阻擋造成減速是電阻嗎？並不是。我們既不能將自由電子的定向移動說成是電流，也不應該將其速度降低說成是電阻作用。
金屬導體中電流的實質是自由電子（載流子）對電場的傳遞，它是所有電子同向電場的疊加。同樣地，當載流子受金屬晶格的阻擋發生碰撞和反彈，這些碰撞和反彈所形成的各個方向的雜波干擾和削弱了電場方向的電磁波，這種雜波對電場的干擾與削弱才是電阻。
當兩波同相時會疊加並加強，180°異相時會相互抵消
影響電阻的因素
在純電阻環境下，導體電阻大小取決於哪些因素？
一、在理想條件下，導體的電阻大小首先取決於其電阻率（與電導率相反）。我們可以簡單地將其理解為導體載流子的活躍程度，它是由電子的能帶決定的。比如：銀的電阻率為1.65×10⁻⁸Ω⋅m，金的電阻率為2.40×10⁻⁸Ω⋅m，銅的電阻率為1.75×10⁻⁸Ω⋅m，鐵的電阻率為9.78×10⁻⁸Ω⋅m。銀的電阻率最低，它是理想的電導體，鐵的電阻率最高。由於銅的電陰率與銀相當，價格更便宜，所以絕大多數的導線使用銅製做。
銅的電阻率低，價格便宜，是導線的首選材料
二、導體晶格的規則性對電阻影響很大。晶格排列越整齊、缺陷越少、雜質含量越低，電子就越容易穿過晶格，電阻就越小。反之，大量被反彈的電子造成雜波會削弱電場，增加阻抗。
導體晶格的雜質與缺陷是影響電阻的原因之一
三、導體的形狀決定了電阻大小。這一點很容易理解，導體越粗短，橫截面通過載流子的數量就更多，電阻更小；越細長，通過的載流子更少，電阻就更大。
四、導體的溫度是影響電阻因素之一。當溫度上升，晶格內原子振動頻率加快、振動幅度變大，電子更容易被阻擋，從而產生更多雜波。反過來，電子越頻繁地撞擊原子，也會將能量傳遞給原子，從而使導體的溫度上升，這個過程被稱為焦耳加熱。
電烤箱的加熱管利用了焦耳加熱原理
總結：
電阻是電荷載流子與原子或正離子的碰撞產生的，但碰撞本身並不能被稱作電阻；自由電子因與原子頻繁的碰撞而減速，這種減速本身也不是電阻。碰撞、焦耳加熱以及由碰撞造成的電子相對減速都只是導體電阻作用的表現，而不是實質。
電阻是由於電子因無序碰撞產生各個方向上的電磁場雜波，這種雜波干擾和削弱了電場的傳遞。雜波削弱電場的傳遞是電阻的實質。
鴨子划水產生的雜波干擾了對向傳遞的水波
幾乎所有導體都存在電阻，這是由導體的微觀結構及電場傳遞的性質決定的。
超導體電阻接近0，這是因為在極低溫度下，某些超導材料擁有規則的晶體結構，同時在這些材料內部形成大量超流體電子對（Cooper對）。這些成對的自由電子是超流體，它們不會與晶格中的原子發生碰撞，也不會被散射，它們始終在電場方向上移動，因此電阻接近零。
一枚懸浮在磁體上方的高溫超導體
關於超導體的獨特性質，我們將在以後的文章中加以介紹，歡迎繼續關注。
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