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電阻的定義到底是什麼?

在一個非純電阻電路中 如何定義電阻的大小 電動機轉起來和不轉起來的電阻是一樣的嗎?現有的理論告訴我 應該是大致一樣(不考慮溫度等原因)的因為書上的題目也是這樣認為的 但是此時我要測出它的電阻就必須讓電動機停止轉動使之變為所謂的純電阻電路 難道說電阻的定義只有對於純電阻電路才有意義嗎?還是說電阻的大小有這更嚴格的定義?我本人在百度百科中並沒有發現 希望大牛解釋一下


題主的這個問題具有代表性。

電阻,用中學的物理定義說,就是電路中某元件阻礙電流流通的能力。不過,這個定義顯然不是很嚴密。

根據歐姆定律,我們知道電阻R與電壓U和電流I的關係是: R=frac{U}{I} 。這個式子告訴我們,測量電阻並不一定非要停機測量,只需要測量出電阻兩端的電壓,以及流過電阻的電流,那麼兩者之比就是電阻R的值。

我們看下圖:

1圖中,如果我們知曉了電阻R兩端的電壓U,以及流過電阻的電流I,我們立刻就能知道電阻R的阻值。

2圖和3圖,我們在測量電阻R兩端的電壓U,以及流過電阻的電流I時,會發現兩者的最大值存在時間上的差異,2圖中的電流會滯後於電壓,而3圖中的電流會超前於電壓。顯然,在這種情況下,我們就不能再沿用原先的概念,必須把電阻的定義略加擴展。

設想我們在前後兩個時刻測得兩個電壓值U1和U2,以及兩個電流值I1和I2。於是有:

R_{d}=frac{U_2-U_1}{I_2-I_1}=frac{Delta U}{Delta I}|_{I_2
ightarrow i_1}

我們把Rd叫做t1時刻的動態電阻。

特別地,當時刻t2大於系統的過渡時間,也即系統進入穩定狀態後,動態電阻Rd也就越來越接近實際值R。

為了表述過渡過程,在電路分析中專門引出了阻抗的概念。

阻抗Z,它包括電阻R,還包括電抗X,並且電抗X還包括時間因素。於是,阻抗Z就全面地反映了被測電路參量的電阻特性以及時間延遲特性。

記得我上《電路分析》這門課時,老師講到阻抗的概念時,他意味深長地說了一句:

阻抗是某元器件的身份證

這句話如此深刻,我當時被深深地震撼住了。

我們看4圖。圖中的X是不知特性的某個元件,甚至是某個局部電路。但我們如果測量到了電壓U,以及電流I在某個時間段的一系列參數值,我們就可以計算出系統的動態電阻,以及系統的阻抗,當然也包括電阻R在內。

我們來看二極體的特性曲線,如下:

注意到二極體的伏安特性曲線中,縱坐標是電流,橫坐標是電壓。我們把坐標旋轉,見右圖。我們看到,二極體的正向曲線隨著電流的增加電壓是單調上升的,因此它的動態電阻取正值。另外,二極體的正向壓降存在起始值,大約在0.5V左右。這個值就是二極體正向管壓降的最小值。

我們再看下圖:

通過這兩個例子,我們看到,某元件的阻抗特性和它們的曲線就是該元件的身份證。例如看到負阻特性曲線,我們就會想到電弧;看到二極體的正向特性曲線,我們就會想到二極體。

由此可知,討論某元器件的電阻特性,不但要看它的靜態參數,更重要的是看它的動態參數和阻抗值。

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題主給我的私信如下:

我是否可以把高中階段所稱之的電阻定義為R=Q/I2t呢 似乎高中階段的電阻都是指的電流做功轉化為內能的那一部分。對於一些電阻隨溫度變化的元件似乎也是相容的,這樣就要使得焦耳定律成為電阻的定義式:即焦耳定律不需要再證明了。

這樣的說法是否合理,請你再解答一下

回答:

以為題主是非電專業的大學生,看來是中學生了。前面的回答不一定適合於中學生。我就題主的這個私信問題來回答吧。

我們知道,電阻流過電流後,它的溫度會升高。電阻的加熱功率包括兩個部分,第一部分是電阻升高溫度所需要的熱量,第二部分是電阻的散熱。

升溫所需要的熱量與電阻的質量m和比熱容C有關,與溫升的改變數dτ也有關。寫成完整的表達式就是:

P_S=cmd	au

散熱部分比較複雜。因為散熱有熱對流、熱輻射和熱傳導,仔細推導起來十分麻煩。偉大的牛頓提出了一個公式,指出散熱的功率Pu為:

P_U=K_tA	au dt

這裡的Kt是綜合散熱係數,它把熱對流、熱輻射和熱傳導統一起來了;A是電阻材料的表面積;τ是溫升;dt是散熱時間長度。

我們還知道,電阻在dt時間內熱量來源當然就是電阻的發熱,也即 Pdt=I^2Rdt

我們把這三個部分合併起來,得到:

Pdt=cmd	au +K_tA	au dt 式1

注意到一個事實:當電阻的升溫完成後,電阻的溫度進入恆溫狀態,於是升溫過程的溫升改變數dτ=0。於是式1就變成:

Pdt=cmd	au +K_tA	au dt\Rightarrow Pdt=K_tA	au dt\Rightarrow P=K_tA	au 式2

我們把式2最後一個式子叫做牛頓散熱公式。

現在,我們把電阻的發熱代入式2的左邊,得到:

I^2R=K_tA	au 式3

於是由式3,我們可以推得:

R=frac{K_tA	au }{I^2} 式4

從式4我們看到,與題主的論點相差很遠。相差之處在於:

1)題主忽略了時間因素;

2)題主忽略了升溫和散熱。

可見,題主的看法是錯誤的。

那麼我們由式3可以得到什麼有趣的結論?

第一,如果我們把電阻的定義式代入,並且忽略導體(電阻)的兩個端點,認為導體(電阻)的表面積A就是它的截面周長M與導體長度L的乘積,於是有:

I^2
hofrac{L}{S}=K_tML	au \Rightarrow	au=frac{I^2
ho}{K_tSM}

我們再令B=S/M,B就是閉合面積的積周比。於是界面周長M=S/B。代入到上式中,得到:

	au=frac{I^2
ho}{K_tSM}=frac{I^2
ho B}{K_tS^2}\Rightarrow I=Ssqrt{frac{	au K_t}{
ho B}} 式5

我們從式5中能看出什麼?

第一:導體(電阻)的載流量與它的長度無關,與截面S有關;

第二:如果兩根導體(電阻)的截面積相同,流過的電流也相同,則截面積周比B越大,導體的溫升就越高;

根據平面幾何我們知道,如果周長相同,則圓具有最大的積周比。因此,圓截面導線的溫升比矩形截面導線的溫升要高。所以,在低壓配電室內,由於開關櫃的電流很大,因此主母線都採用矩形截面的銅排來作為導體材料。見下圖:

第三:導體(電阻)的包裝越好,綜合散熱係數Kt就越小,溫升就越高。

這說明,電路板和用電設備的外包裝防護等級要適當,不要一味追求高防護等級,卻帶來高溫升。溫升越高,導體材料的機械強度就越低,絕緣材料的老化就越嚴重。

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給題主的解答就到這裡吧。

在中學的知識範圍內解答問題,限制太多,也沒法把事情說清楚。而且中學生最喜歡用水和其它什麼東西來比喻電現象,卻忽略了電現象的本質。

如果題主能從這些解答中有所收穫,我就非常心滿意足了。


難道說電阻的定義只有對於純電阻電路才有意義嗎?

╮(╯_╰)╭,吐槽一下,為了定義電阻,則需要純電阻電路,這是循環定義么?

電阻的定義 R=frac{V}{I} ,你當然可以隨意遷移這個定義。

但是在實際使用中,你會發現這個定義並不能保持一致性,電動機就是個例子。。

最簡單的想法,電阻,就是將電能完全轉化為熱能的東西。。

你若是固定了輸入電流 I ,那麼電阻將電能轉化為焦耳熱, P=I^2R ,熱功率和電流的平方,之間有個比例係數,叫做電阻。。

如果一個東西,將電能不止轉化為熱能,還有其他形式的能量,比如機械能,光能等等,我們一般也只把其中轉化為熱能的那部分看做是來自電阻的貢獻。。

對於電阻,可以有很多種定義方式,也有很多種理解方式,其中, R=frac{V}{I} 是最原始的定義。不同的定義之間有細微的差別,在初高中範圍內可不用管,只需要知道,電阻將電能完全轉化為熱能就好了。。

從能量轉化的角度講,電動機的話,輸入了電能,它不止有熱耗散,最主要的則是輸出機械功,自然,電動機在轉和不轉的時候是有差別的。。


我就不扯定義了,
我用盡量簡單的辦法從"物理直覺"上描述一下電阻究竟是什麼。
我不知道題主是不是跟我中學時有一樣的困惑,
「電阻」究竟是什麼?
換言之,憑什麼電壓和電流成正比?

有兩種可能:
A,電壓越大,電子速度越快,從而電流越大
B,電壓越大,能驅動的電子越多,所以電流越大。

B顯然是不靠譜的,因為電壓一定,均勻電阻里每個電子感受到的驅動力應該是一樣的,沒有理由只有部分電子被電壓驅動。

那麼只有可能是A了,
那麼問題來了,電壓正比與電流,即電壓正比與電子速度,憑什麼?

把電阻想像成一個圓柱體,兩段街上導線。
假設圓柱體長度為固定為h,
那麼電壓(V)正比與場強(E),正比於單個電子受力(F),

憑什麼電子的速度和受力成正比????

這個問題從初中開始困擾我,直到大一,直到我翻開普物……,人生真是尷尬,其實答案很簡單。

因為電子熱運動速度遠大於"電壓給電子附加的速度"(電流速度)。
把電阻中的每個原子核想像成網格中的一個點,
每次電子撞上原子核,速度就重新分配一次(電流速度清0)。

簡單來說就是這樣,
啊啊啊,我要加速,加速,加速…………碰,沒了,重新再來……
也就是每次加速的平均時間間隔 τ 是一定的(平均自由程/熱運動速率),
而這段時間內電子(電流速度)為勻加速直線運動。

所以單位時間(τ)內的平均速度(v)正比與加速度(a),正比與受力(F),正比與與電壓(V)

完。

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對了還有,如果你要問為何電阻中的電流和導線中的電流相等,因為導線里電子多,所以速度小,所以電壓小。所以電子會在電阻(圓柱體)的兩段形成一層膜一樣的東西,這層膜會導致電場不連續,所以電阻里場強很大,而導線里基本沒有。

當然,如果你學了量子力學還有更優雅的方式理解這個問題。
但你不一定會學,我就不扯了。


我猜題主是初中生,然後是習題裡面有讓你算電機的功率電阻什麼的,做了以後發現不能用P=I方R來算電機整體的功率才有了這個疑問。
教科書里會設置這個,主要是想告訴你這世界不只是有純電阻電路。但是給出電機相關問題的時候,又不告訴你們電機內部是什麼。
其實你現階段應對電機相關習題只要掌握P=UI就行了。剩下的內容,你有興趣,可以查一下電機的等效電路,看一下電機的相關知識
如果題主不是初中生,當我上面沒說,:)


轉子旋轉會產生電勢,不是電阻


對於純電阻,當有電流通過時電阻里的電子被迫定向移動同時撞擊電阻材料的晶格,損失的能量轉化為熱能。這時你拿電錶一測發現電壓與電流成正比,符合歐姆定律。

當你給電動機通很小的電流的時候,電子流過電動機的線圈,然而產生的磁場很小,不能克服阻力帶動電動機工作,所以除了發熱什麼事情也沒有發生,這時還是符合歐姆定律的。當你逐漸增大電流,在某個瞬間電機開動了,這時電能同時轉化為熱能和動能。但電能轉動能的部分是由於通電導線產生變化磁場帶動電動機轉動,並不是由於電子撞擊材料導致的,所以你用歐姆定律計算就不合適了。

神奇的是當電動機開始轉動的前一秒,通電導線線圈還是會產生變化的磁場。


經典定義就是 @qfzklm 所說的電壓比電流。微觀解釋樓上匿名用戶已經給出了。可以近似認為電阻就是阻礙電子速度一直增大的一種結構(我不知道用什麼詞語表達,宏觀上可以這麼認為)。
對於電動機,以直流電機為簡化模型。假設有一段無窮長導線,電壓為某一值,導線中間有均勻恆定磁感應強度。在兩個導線之間放置一段可以沿著導線方向自由滾動的導體,導體中有電流流過,必然會受磁場作用產生滾動,這樣相當於給導體中的電子附加一個速度。磁場與該附加速度作用,會產生沿著導體方向的力,從而阻礙電子運動,使得阻抗發生變化。


在單純的電阻電路里,電的效應體現為焦爾熱,電阻就是這麼多;但對於電動機,由於導線之間電場耦合,出現了感應,阻抗是一個複數。如果說電阻的話,的確沒有變,就是阻抗的實數部分,但虛數部分有變化。電場的作用除了電阻的焦爾熱之外,還有電場感應的電場變化和運行。
給你舉個例子,電動機的不同效應之間其實可以視為電壓相同條件下的並聯,然後阻抗部分一般比較小,感抗更小,所以大部分電能都輸出機械能;你要是讓電機主軸不轉,小電機是可以做到的,然後相當於切斷了感抗部分,感抗頓時無限大,那電流就全部通過阻抗部分,你說會發生什麼?電機燒了唄。


是一樣的。電阻是材料的性質。不同的是電動勢計算方法不同,有電動機、電感器材等時,需要考慮額外的電動勢。


@Patrick Zhang 的答案我看過很多。

這人往往把一些簡單的問題解釋的極為複雜化,說真的,這種水平,一般是毛線不懂。

我接觸過的大牛,把一些複雜的問題,用簡單的原理說的出神入化,讓你覺得複雜的世界原來特別簡單。而 @Patrick Zhang 完全不是,一個問題經他解釋只會越來越複雜。

他以前的很多問題,回答的都是牛頭不對馬嘴,這篇更是。說了半天連電阻代表什麼都沒講清楚。

請問 @Patrick Zhang ,你認為電阻是如何產生?為什麼會有電阻?因為電壓加在上面就有電阻了么?這種解釋簡直是拿著一大堆公式忽悠中學生呢。

實在看不下去。


顧名思義:對電(場)流動的阻力叫電阻?

哈,開玩笑的,求摺疊。


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