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内容导航:1、电阻定律、欧姆定律、焦耳—楞次定律是什么?图文详解,一看就懂2、电阻定律的内容及公式3、电阻定律内容是什么4、欧姆 提出电阻定律的背景 提出的目的 怎样提出的 做过的实验等1、电阻定律、欧姆定律、焦耳—楞次定律是什么?图文详解,一看就懂
前面的几篇文章,分别分享了电路的基本元件(电阻、电感、电容)、基本参数或物理量(电流、电位、电压、电动势、功率)、电流的各种效应等方面的电工基础知识,本文分享几个与电阻、电压、电流、功率相关的几个定律,这几个定律也是电气(工)必须掌握的电工基础知识。
这几个定律分别是:电阻定律、欧姆定律、焦耳—楞次定律。通过学习这几个定律,我们将学会解决下面这些及其类似的问题:当知道导线的规格、长度、种类后,如何计算其电阻;当知道电压、电阻的大小后,如何计算电流;当购买了一台电炉后,如何计算它的发热量。
这些知识对实际工作或今后进一步学习电工学知识,都很有裨益。
一、电阻定律
电阻定律是反应电阻大小的公式,也是电路计算的基础公式。
在《一文详解分析、计算电路必须掌握的几个参数:电阻、电容、电感》介绍过电阻的概念是:“当电流在导体中流过时,定向运动的自由电子与导体内的原子核发生碰撞而受到阻碍,将电能转化为热能或其他不可逆形式的能量。这种导体对电流的阻碍能力称为电阻”。
那么电阻的大小与哪些因素有关系呢?当知道导线的规格、长度、种类后,如何计算其电阻呢?
决定导体电阻值的因素有:导体对电流的阻碍程度,即电阻与导体的长度、导体的材料、导体的截面积有关。
大量实验结果表明:在温度不变时,导体的电阻(R)跟它的长度(L)、导体材料的性质(ρ)成正比,跟它的横截面积(S)成反比,这就是电阻定律。
即:导体截面积越大,导体电阻越小,截面积越小,导体电阻越大;在其他因素一定的情况下,导体越长,电阻越大;导体越短,电阻越小;导体材料的导电性能越好(ρ越小),电阻越小,导体的导电性能越差(ρ越大),电阻越大,电阻越大。
电阻定律的公式为:
式中 ρ——导体的电阻率,它由电阻材料的性质决定,是反映材料导电性能的物理量,单位Ω·m(欧·米);
L——导体的长度,单位为m(米);
S——导体的横截面积,单位为m2(平方米);
R——导体的电阻,单位为欧(Ω)。
二、欧姆定律
.欧姆定律是反映电流与电压、电阻之间关系的公式。
在电路中,电流与电压、电阻之间到底有什么关系呢?当知道电压、电阻的大小后,如何计算电流?初学者常常容易混淆它们之间的关系。欧姆定律规定了电流(I)和电压(U)、电阻(R)之间的关系。
实物电路
电路图
在电路中,流过电阻器的电流(I)与电阻器两端的电压(U)成正比,与电阻(R)成反比,即:
这就是欧姆定律的基本概念,是电路中最基本的定律之一。
上面公式中:
电流的单位为安培(A),
电压的单位为伏特(V),
电阻的单位为欧姆(Ω)。
1、电压对电流的影响
根据欧姆定律,可以看出:在电路中电阻阻值不变的情况下,电阻两端的电压升高,流经电阻的电流也成比例增加;电压降低,流经电阻的电流也成比例减小。
在图中,为电压变化对电流的影响。当电压从25V升高到30V时,电流值会从2.5A升到3A;当电压从25V升高到10V时,电流值会从2.5A降低到1A。
2、电阻对电流的影响
根据欧姆定律,同样可以看出:在电路中电阻两端电压值不变的情况下,电阻阻值升高,流经电阻的电流成比例降低;电阻阻值降低,流经电阻的电流则成比例升高。
下图为电阻变化对电流的影响,电阻从10Ω升高到20Ω时,电流值会从2.5A降低到1.25A;电阻从10Ω降低到5Ω时,电流值会从2.5A升到5A。
三、焦耳—楞次定律
当购买了一台电炉后,如何计算它的发热量呢?诸如此类的问题,就必须用焦耳—楞次定律来计算。到焦耳—楞次定律反应电流的热效应与电流、电压、电阻之间的关系。
我们知道,当电流在导体中流过时,定向运动的自由电子与导体内的原子核发生碰撞而受到阻碍,即因为导体有电阻,将电能转化为热能或其他不可逆形式的能量。当电能转化为热能后将会使导体温度升高,这种现象叫做电流的热效应。
当我们把手靠近点亮了一段时间的白炽灯泡,就会感到灯泡发热;当电视机、计算机主机和显示器长时间工作后,外壳会发热,这些都是因为导体中有电流通过时,导体就会发热,即电流的热效应。
在生活中,我们可以观察到:灯泡和电线串联在电路中,电流相同,灯泡会发热、发光,电线却不怎么热;相同的导线如果将灯泡换成大功率的电炉,电线将显著发热,甚至烧坏电线;电熨斗通电的时间过长,也会产生很多热量,一不小心,就会烫坏衣料。这些都说明电流产生的热量与导体的电阻、电流和通电时间有关。
英国物理学家焦耳和俄国科学家楞次各自做了大量的实验,证明了电流的这种热效应现象,并确定了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的定量关系,这个定量关系就称为焦耳—楞次定律。它的内容是电流流过导体产生的热量Q与电流I 的平方成正比,与导体的电阻R成正比,与通电时间t成正比,用公式表示为:
根据欧姆定律I=U/R,焦耳—楞次定律可以有以下几种形式:
上面的几个公式中:
电流的单位为安培(A),
电压的单位为伏特(V),
电阻的单位为欧姆(Ω),
时间的单位为秒(s),
则热量Q的单位是焦耳(J)。
焦耳—楞次定律只适用于纯电阻电路,如下图的电炉等,此时电流所做的功将全部转变成热量。
若不是纯电阻电路,如下图所示的电路中包含有电动机、电解槽等用电器,则电能除部分转化为热能使温度升高外,还要转化为机械能、化学能等其他形式的能。此时,电功就不等于而是大于生成的热量了。
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2、电阻定律的内容及公式
电阻定律的内容:导体的电阻R跟它的长度L、电阻率ρ成正比,跟它的横截面积S成反比,公式:R=ρL/S,导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。电阻(Resistance,通常用“R”表示)是一个物理量,在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。
3、电阻定律内容是什么
导体的电阻R跟它的长度L、电阻率ρ成正比,跟它的横截面积S成反比,这个规律就叫电阻定律(law of resistance),公式为R=ρL/S 。其中ρ:制成电阻的材料的电阻率,L:绕制成电阻的导线长度,S:绕制成电阻的导线横截面积,R:电阻值。
电阻率数值上等于单位长度、单位截面的某种物质的电阻,其倒数为电导率。电阻率与导体的长度、横截面积等因素无关,是导体材料本身的电学性质,由导体的材料决定,且与温度有关。电阻率在国际单位制中的单位是Ω·m,读作欧姆米,简称欧米。常用单位为“欧姆·厘米”。电阻率较低的物质被称为导体,常见导体主要为金属,而自然界中导电性最佳的是银。其他不易导电的物质如玻璃、橡胶等,电阻率较高,一般称为绝缘体。介于导体和绝缘体之间的物质 (如硅) 则称半导体。
4、欧姆 提出电阻定律的背景 提出的目的 怎样提出的 做过的实验等
欧姆对导线中的电流进行了研究。他从傅立叶发现的热传导规律受到启发,导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。
欧姆花了很大的精力在这方面进行研究。开始他用伏打电堆作电源,但是因为电流不稳定,效果不好。后来他接受别人的建议改用温差电池作电源,从而保证了电流的稳定性。但是如何测量电流的大小,这在当时还是一个没有解决的难题。开始,欧姆利用电流的热效应,用热胀冷缩的方法来测量电流,但这种方法难以得到精确的结果。后来他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤结合起来,巧妙地设计了一个电流扭秤,用一根扭丝悬挂一磁针,让通电导线和磁针都沿子午线方向平行放置;再用铋和铜温差电池,一端浸在沸水中,另一端浸在碎冰中,并用两个水银槽作电极,与铜线相连。当导线中通过电流时,磁针的偏转角与导线中的电流成正比。
实验中他用粗细相同、长度不同的八根铜导线进行了测量,得出了如下的等式: X=a/(b+x)。 式中X为磁效应强度,即电流的大小;a是与激发力(即温度差)有关的常数,即电动势;x表示导线的长度,b是与电路其余部分的电阻有关的常数,b+x实际上表示电路的总电阻。这个结果于1826年发表。
1827年欧姆又在《动电电路的数学研究》一书中,把他的实验规律总结成如下公式: S=γE。 式中S表示电流;E表示电动力,即导线两端的电势差,γ为导线对电流的传导率,其倒数即为电阻。 欧姆定律发现初期,许多物理学家不能正确理解和评价这一发现,并遭到怀疑和尖锐的批评。
研究成果被忽视,经济极其困难,使欧姆精神抑郁。直到1841年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌,才引起德国科学界的重视。
欧姆在自己的许多著作里还证明了:电阻与导体的长度成正比,与导体的横截面积和传导性成反比;在稳定电流的情况下,电荷不仅在导体的表面上,而且在导体的整个截面上运动。
欧姆第一阶段的实验是探讨电流产生的电磁力的衰减与导线长度的关系,其结果于1825年5月在他的第一篇科学论文中发表。
在这个实验中,他碰到了测量电流强度的困难。在德国科学家施威格发明的检流计启发下,他把斯特关于电流磁效应的发现和库化扭秤方法巧妙地结合起来,设计了一个电流扭力秤,用它测量电流强度。欧姆从初步的实验中发出,电流的电磁力与导体的长度有关。其关系式与今天的欧姆定律表示式之间看不出有什么直接联系。
欧姆在当时也没有把电势差(或电动势)、电流强度和电阻三个量联系起来。 在欧姆之前,虽然还没有电阻的概念,但是已经有人对金属的电导率(传导率)进行研究。1825年7月,欧姆也用上述初步实验中所用的装置,研究了金属的相对电导率。他把各种金属制成直径相同的导线进行测量,确定了金、银、锌、黄铜、铁等金属的相对电导率。
虽然这个实验较为粗糙,而且有不少错误,但欧姆想到,在整条导线中电流不变的事实表明电流强度可以作为电路的一个重要基本量,他决定在下一次实验中把它当作一个主要观测量来研究。 在以前的实验中,欧姆使用的电池组是伏打电堆,这种电堆的电动势不稳定,使他大为头痛。后来经人建议,改用铋铜温差电偶作电源,从而保证了电源电动势的稳定。
1826年,欧姆用上面图中的实验装置导出了他的定律。在木质座架上装有电流扭力秤,DD'是扭力秤的玻璃罩,CC'是刻度盘,s是观察用的放大镜,m和m'为水银杯,abb'a'为铋框架,铋、铜框架的一条腿相互接触,这样就组成了温差电偶。A、B是两个用来产生温差的锡容器。
实验时把待研究的导体插在m和m'两个盛水银的杯子中,m和m'成了温差电池的两个极。 欧姆准备了截面相同但长度不同的导体,依次将各个导体接入电路进行实验,观测扭力拖拉磁针偏转角的大小,然后改变条件反复操作,根据实验数据归纳成下关系: x=q/(b+l)式中x表示流过导线的电流的大小,它与电流强度成正比,A和B为电路的两个参数,L表示实验导线的长度。 1826年4月欧姆发表论文,把欧姆定律改写为:x=ksa/ls为导线的横截面积,K表示电导率,A为导线两端的电势差,L为导线的长度,X表示通过L的电流强度。如果用电阻l'=l/ks代入上式,就得到X=a/I'这就是欧姆定律的定量表达式,即电路中的电流强度和电势差成正而与电阻成反比。
为了纪念欧姆对电磁学的贡献,物理学界将电阻的单位命名为欧姆,以符号Ω表示。1欧姆定义为电位差为1伏特时恰好通过以安培电流的电阻。
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