電阻實際上是如何影響電流的?
如果說電路中,電流是單位時間內電路中通過帶點粒子的數量。電阻則試圖阻止帶電粒子流動,那麼電阻是減緩了電路中帶電粒子移動的速度,還是減少了電路里移動中的帶電粒子的數量?這個疑問出自視頻
http://www.bilibili.com/video/av11787515。
我們來看題主所說的視頻考屏節錄:
我們明顯看到,視頻中把實物小球當成帶電粒子,而某時刻通過某截面的小球數量就是所謂的電流了。
其實,這種電流模型並不正確。
我們知道,在原子模型中,核外的電子按一定規律分布。根據測不準原理,我們根本就不知道在某時刻電子位於哪個位置,我們只能知道電子分布的區域和概率分布,這種電子的分布圖景被稱為電子云。
當原子受到外界的激發後,電子會脫離原子核的控制,成為自由電子。但電子很快就會釋放掉激發的能量,再返回到電子云中。由於導體中原子的數量是巨大的天文數字,而原子又不停歇地處於受熱激髮狀態中,從統計看,由於導體中原子的數量是巨大的,因此自由電子的數量當然也是巨大的,整個導體似乎就是一塊吸滿了自由電子的海綿。
從能量關係看,處於電子云中的電子受到原子核的控制,猶如被關進地下室;而自由電子的能量比較高,它可以相對自由地移動。我們把前者的能量關係叫做禁帶,後者叫做傳導帶。電子就在禁帶與傳導帶中間躍遷和返回。這場景,猶如大海中的海豚,在海面上翻騰魚躍。
電源的作用就是建立一個電場,電場對滿足條件的自由電子產生作用力,使其作定向運動。
電子在運動過程中伴隨著激發和返回,就是電阻的一部分作用。
由此可見,電子不可以與尋常實物粒子做對比,兩者毫無共同之處。
原子的激發包括原子的熱運動,所以自由電子的數量自然就與材料的溫度密切相關,體現在電阻率隨溫度上升而上升。
雖然歐姆定律是我們每一位中學生所熟知的,但它的真正含義,卻要從大學物理中的麥克斯韋方程組中導出。歐姆定律有兩種形式,一種是積分形式,另一種是微分形式。我們來試看一下百度上的圖:
是不是與小球模型毫無關係?
現在,我們來看看從電路分析的觀點看電阻是如何阻礙電流的。
我們看下圖:
我們看圖4,圖4是測量電路圖。圖4中被測電阻是R,調節電位器Rw我們就可以改變電阻R上的電壓和電流,由此得到圖1、圖2和圖3三種伏安特性曲線。
圖1中,我們調節Rw,得到電壓U1和電流I1,再調節Rw,得到電壓U2和電流I2。我們發現一個有點意思的現象,如下:
這裡的u是任意點的電壓,而i則是與u對應的電流值。我們發現,上邊這個式子其實就是歐姆定律。並且,電阻R的伏安特性曲線是一條經過原點斜率角度在0到90度之間的直線。當然,這條直線是單調上升的。
小功率電阻一般都是碳膜電阻或者金屬膜電阻,它是在陶瓷管上鍍上一層碳,或者鍍上一層金屬,再添加兩端的電極引出線製作而成。
那麼電阻是如何影響到電流的?答案還是之前說的那些道理。
我們來看下圖:
我們看第一周期到第三周期,會發現左側都是金屬,右側都是非金屬和惰性氣體。顯然,左側的導電性好,右側則絕緣性好;再看第四主族,從上往下是碳、硅、鍺、錫、鉛,上面是非金屬,下面是金屬。由此可知,左側元素中的外層電子比較容易丟失並進入傳導帶,因而自由電子很多,而右側元素則幾乎沒有自由電子,電子都被關在禁帶這個禁閉室內。
所以,用碳膜來作為電阻材料就是很容易理解的事情了:碳膜化學特性穩定,自由電子數量適中,非常適合於製作電阻。通過調節碳鍍層的厚度,就可以得到不同阻值的電阻,繼而影響到電流值的大小。
我們再來看看在中學就熟知的有關電阻的定義式(這個所謂名稱我也是為了寫書從高中課本中學到的,在電路分析中此稱謂連影子都見不著),為:
。
由此可知,電阻率其實是溫度的函數。但從上式看,電阻率與溫度的關係似乎是線性的,其實不然。我們來看一種最為典型的電阻元件——硅碳棒,它是電阻爐的熱元件,看看它的電阻率與溫度之間有何關係:
此圖摘自《工業爐設計手冊》。從圖中我們看到,電阻率與溫度並非線性。在0到800度之間電阻率持續減少,並且在800度到1100度時,電阻率的變化很小,且存在最小值。在1100度之後,電阻率才增加。
由此可見,電阻受溫度的影響很大。電流流過硅碳棒時會發熱,電阻率與電流顯然也扯上了關係。我們看到,其實是電流影響了電阻,而不是電阻影響了電流。
圖2中,我們看到了一條類似駝峰的曲線,它是單結晶體管的伏安特性曲線,我們看到了峰和谷。
設想電流從0開始加大,電壓也隨之上升,也即系統的動態電阻取正值;當曲線到達峰點時,曲線的斜率為零,系統的動態電阻為零;之後,隨著電流上升,電壓快速下降,一直下降到谷點。這一段曲線的斜率小於零,系統的動態電阻為負值;接著在谷點,動態電阻取零值,而過了谷點後,隨著電流加大,電壓也上升,動態電阻又重新歸於正值。
單結晶體管的原理是什麼此處就不介紹了。
圖3中,我們看到了一條單調遞減的曲線,這表明隨著電流增加,電壓是減少的,也即動態電阻具有負阻特性。
圖三與電弧有關。下圖是輝光放電的圖景:
我們且來看看直流電弧的伏安特性曲線。
設想直流電弧已經起弧,電弧的弧柱區中氣體介質已經成為等離子體。當電弧電流增加時,電弧溫度會升高,實際上就是等離子體溫度升高。等離子體溫度升高後,氣體的等效電阻會降低,並使得電弧電壓降低。見下圖:
從上圖中我們看到,電弧的伏安特性曲線具有明顯的負阻特性。
另外,電弧電阻與溫度相關,而溫度具有一定的遲滯特性,因此電弧電流快速變化時,電弧等效電阻並不會馬上發生變化,事實上電弧的等效電阻反而阻礙了電流變化。這種特性被稱為電弧的限流特性。
可見,電弧並非一定就是不好的東西,它對於限制短路電流還是有一定的好處的。
現在,我們該給這個帖子寫結論了:
第一:題主的問題「電阻實際上是如何影響電流的?」,我覺得應當反過來,寫成:「電流是如何影響電阻的?」,這樣才正確。
第二:從上述三個例子中我們看到,電阻或者阻抗,是某元器件的表現形式。用電路分析的話來說:電阻或者阻抗是元器件的身份證。
第三:不管是電阻也好,晶體管也好,二極體也好,或者是電弧,甚至是電磁系統的特性曲線,我們都看到了伏安特性曲線上的正電阻特性、零電阻特性和負電阻特性,甚至還能看到曲線出現階躍。這些都需要結合實際情況去分析,不能一概而論。
因此,題主主題背後的知識其實就是伏安特性曲線上元器件的阻抗特性分析,需要對元器件的深層原理做探討後才能得出結論。不同的元器件它的阻抗特性也不同。可見這是很有意義的一件事。
實際上,沒有電阻,而是電導。
用一個物體電導低的說法來代替一個物體電阻高這個說法,你會發現思路豁然開朗。
電導是每個物體的天然屬性,而不是電阻。比如金屬就是比橡膠電導率高,因為金屬自由電子多。
為什麼並聯能提高電導?因為並聯之後單位截面的自由電子變多了。
為什麼串聯能降低電流?因為單位長度上的電場變弱了。電導是衡量物體傳遞電場/電流的能力,對於同一物體和其電阻互為倒數。
所以回到題主的問題,姑且可以理解為,電阻減少了載流子的數量。
載流子不一定是帶負電的電子,也可以是帶正電的空穴。以經典金屬導體為例- 電子在電場下加速動能增加,然後和金屬中的特定結構(如impurity, lattice, dislocation之類)進行非彈性散射而損失能量減速。從一階近似來說,電子的密度,散射體的屬性和密度,一起決定了導電率。半導體的話空穴也要考慮。固體物理很久沒用,但是概念大概是這樣
看一篇論文 電阻及其微觀機理
電阻的原理可以找本半導體的書看前幾章,但是這可能迅速讓你失去找到答案的動力。。。。。。
先後因果反了反了,不是電阻如何影響電流,而是在某對象中電流被阻礙的程度被描述為電阻。
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