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為什麼電機不遵循歐姆定律?

如題


其他兩位答主說的都不準確,歐姆定律在電機中不適用,不是因為負載不是純阻性。事實上,歐姆定律無論在純電阻、純電抗或者阻抗電路中,採用相量分析,都可以普遍成立。注意,這裡用的詞是「可以」成立,而不是「是」成立的。這涉及到數學模型的問題。

百度百科中歐姆定律 _百度百科,「歐姆定律適用於純電阻電路」這句話是錯誤的,不可以此為依據。

針對題目而言,一句話回答就是,電機的數學模型不是一個線性電路模型,所以不能用歐姆定律。

中學老師會講,電機不滿足歐姆定律是因為它不是純阻性的。事實上,在初等的電路知識(我指的是中學級別的)中,電壓和電流是一個表達式,這個表達式是固定不變的。而電感和電容的伏安方程分別是[{u_L} = Lfrac{{di}}{{dt}}][{i_C} = Cfrac{{du}}{{dt}}],顯然這不是歐姆定律的形式。但是如果在正弦穩態電路中,採用相量分析的方法,電感和電容的伏安關係分別是[dot U = jomega Ldot I][dot U = frac{1}{{jomega C}}dot I],其中,[jomega L][frac{1}{{jomega C}}]是電感和電容的阻抗。你看,在相量模型中,電壓和電流又是滿足歐姆定律的。

歐姆定律是用來概括兩個基本變數的定律。在電路中,有四個基本變數,電壓、電流、磁通、電荷。電壓和磁通有一個定義關係式,電流和電荷有一個定義關係式,這兩個關係式是定義式,任何時候都成立。而電壓和電流滿足一個關係,這個關係就是歐姆定律。而在不同的模型下,歐姆定律能不能成立都是不一定的。

電機,無論直流交流或是變壓器,為什麼不滿足歐姆定律?因為它給不出電流和電壓關係的伏安關係的數值模型(而非微分方程模型)。作為一整個系統,輸入端的電壓和電流是不滿足歐姆定律的,但是把系統拆開看,裡面的每一個模型又是可以滿足的。這是因為等效電路中有受控源,而這個受控源是非線性的受控源,所以現有的分析方法中,電機的模型都不滿足歐姆定律。

以非同步交流電機為例(我的畢業論文是這個所以就挑這個了),下圖是非同步電機的dq等效電路圖。事實上,這個圖既可以用來說明交流電機,也可以用來說明直流電機,因為交流電機可以通過坐標變換等效成為直流電機,這是電機統一理論。這個等效電路圖的每一個「元件」都是滿足歐姆定律的,問題在於定子角頻率[{omega _s}]、轉差[{omega _{sl}}]、定子和轉子的互感是[{L_m}]等等都是變化的,因此整個系統就不滿足歐姆定律,因為這個系統就是非線性的。

說這麼多,總結成一句話就是,任何定律(等式)都是一種數學模型,這種數學模型具有一定的限制條件。我們通過採用某種分析方法可以使限制條件一定程度上放寬,使定律(等式)成立。學習理工科的知識,最重要的還是」模型「的概念,這個概念可以指導知識框架的建立。關於模型的概念,我這裡還有一個回答,供你參考

為什麼電路中的阻抗要引入複數來表示? - 知乎用戶的回答


樓上黎哥的回答非常專業,不過非專業人士可能看不懂,我簡單說一下。

電流通過一段電路,會受到阻礙,這個阻礙,我們稱之為電抗。電抗的成因有三種,一種是電容造成的,稱之為容抗,一種是電磁感應造成的,稱之為感抗,還有一種就是我們熟悉的電阻造成的,叫做阻抗。如果把電阻換成電抗,那麼在所有電路中,歐姆定律都成立。在我們熟悉的純電阻電路中,由於容抗和感抗均為0,故電抗等於阻抗(電阻),這就是我們中學裡學到的歐姆定律。

電機中的電抗除了阻抗外,還有感抗和容抗,因此,如果使用歐姆定律,必須使用電抗代替電阻,這樣,歐姆定律才會成立。


只有純線性電阻元件遵循歐姆定律;

只有純線性電阻元件遵循歐姆定律;

只有純線性電阻元件遵循歐姆定律;

非線性電阻元件,電感,電容,都不會遵循歐姆定理的。

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不贊成「黎哥」部分觀點。

人家問的是「為什麼電機不遵循歐姆定律?」 和負載有什麼關係呢? 請注意表述。

哪裡的初等知識說電壓電流是一個表達式了?還固定不變。。。

你給出的伏安方程僅僅是線性時不變電感和電容的!!!

電路的基本變數不是電壓、電流和功率嗎? 電荷和磁通是什麼鬼、。

電機等效電路中有受控源嗎? 你給出的等效電路只是電機穩態時候的吧。


你們都答跑偏了。對於電機而言,電壓-電流關係受負載影響,就這麼簡單。


遵循, 只是你把電壓算錯了。

不是所有的電壓都加在電阻上了。

高中的時候很多同學都有這個疑問。

還有變壓器。 哪裡更容易困惑。


就因為電機有反電勢。


還是一樣滿足歐姆定律,

阻抗= Z = u/i = *( 1/ jwC + jwL + R )


電氣工程的分析以電磁場分析為基礎,歐姆定律的電磁場標書為J=rE,對任何條件都是適用的,當然包括電機。實際中電機的分析以電磁場為基礎的。


歐姆定律是在狹窄範圍成立的 普遍成立的是 麥克斯韋方程組(裝逼高大上) 當然用麥克斯韋方程組分析問題都是坑爹 所以 在歐姆定律 和麥克斯韋之間 還有 一階二階電路分析之類的 再高階普通人不幹那事 結論 電機是用 一階二階電路分析的 歐姆定律管不到


物理定律和數學定律不同,物理定律沒有那麼多給定條件,我們一般討論的是基於歐姆本人實驗研究出來的東西,本質是體電流密度和電場強度的本構關係,所以一般認為歐姆定律≠伏安關係 ,這個時候電機時不遵循歐姆定律的。

當然,如果對歐姆定律做些擴展,電阻改為阻抗,電壓和電流寫成複數形式,那麼擴展之後的歐姆定律本質則是麥克斯韋電磁場理論,電機是遵循擴展後歐姆定律的。

我們來說一說歐姆定律究竟是啥。

Ohm"s law(維基傳送門)

先來說歷史,早在電磁之間的聯繫被發現之前,亨利·卡文迪許(高中生接觸他應該是用精巧的扭秤實驗準確的測出了萬有引力常數)以身試電,通過加不同的電壓在鹽水上並且把自己的觸電感當作電流計得到了一個正比的關係,而後來偉大的德國實驗物理學家歐姆通過在純阻性物質上的反覆實驗,終於得出了這麼一個式子

值得注意的是,此歐姆定律是僅適用於純阻性的電路的。

究竟什麼是此歐姆定律本質,是電壓與電流的關係嗎?

不是,此歐姆定律的本質是電磁場參量的本構關係:

JE

J為體電流密度,單位是[A/m2]

描述通過單位時間通過單位面積電荷的數量

E為電場強度,單位是[V/m]

描述的是單位電荷的在電場中受力情況,或者移動單位距離電勢能的變化情況

σ為電導率,單位是[S/m]

電導率σ是指物質傳輸電流能力強弱的測量值,衡量當物體兩端施加一定電場時激發載流子定性移動形成電流大小的能力,σ越大導電性能越差,σ越小導電性能越好,一般認為超導體σ=0,絕緣體σ=∞。σ這個物理量才更加符合歐姆定律想要描述的物理現象,即:

導體(或其它物質)兩端施加的電場與激發電荷的定向移動的規模(「規模」二字不嚴謹,輕拍)的比值是導體本身性質,與電場無關。

JE其實是歐姆定律的微分形式,如果我們用一個電導率均勻(處處相等)的柱體來考慮它的積分形式,設面積為S,長度為l,如下圖:

有:

(注意,嚴格的形式都應該是面積分或者線積分)

σ,S,l都只和導體本身的性質有關,我們把這個表達式叫做電阻:

現在我們再說一說電機遵不遵循循這個歐姆定律。

答案是,電機的伏安關係不遵循這個歐姆定律。

為什麼,具體的論證需要電磁場理論的證明。

考慮到題主水平很有可能是高中生水平,所以嚴格論證不搬到檯面上,如若需要,隨時艾特可以更新。用高中生能夠聽明白的語言來講:

電機能夠動的原因是因為電機線圈被通上了交變的電流(直流電機的電刷使得直流變為交變的),在這個交變電流生成的電磁場與另外一個電磁場相互產生力的作用。

由於交變電流通過線圈激發出了變化的磁場,所以交變電流電壓和電流不是同步變化的,之間會有一個相位差,所以直接去拿有效值作除法無法得到線圈的電阻。但是值得注意的一點是,這個相位差可以用類似於歐姆定律的表達式來寫出來。

以線圈上正弦變化的電壓為例,可以想像電壓是在單位圓均勻旋轉的一點,大小是該點在坐標軸上的投影,由於某種關係(麥克斯韋方程),電流也是以同樣的速度均勻旋轉,但是比電壓滯後一點,滯後的程度取決於線圈的直流電阻(R)、電壓電流旋轉速度(ω)和線圈本身的特性(自感係數L),我們借用複數形式的數某些良好的運算特性(複數轉化為極坐標形式後,複數的乘除即角度加減與原點距離乘除,而且固定到原點的距離後複數就可以方便的轉起來~)來表達這個形式就是:

這已經不再是原始歐姆定律描述的內容,這個表達式的證明需要利用麥克斯韋方程。英文維基解釋的很好:


樓主的命題是假命題!


贊同@想飛的魚,看了大家的答案。我的可能文不對題,僅探討一下,如果題主想問的僅是電壓電流關係,有幾位的答案已經很好了,我僅豐富下細節吧。個人覺得歐姆定律還有更深的意思。

中學時做題,只知道電機產生的熱量要用電流平方乘電阻,不能用電壓平方處以電阻。

大學做電磁場計算時,接觸到歐姆定律微分形式,也就是 想飛的魚 在答案中提到的。但發現計算電磁場時只靠麥克斯韋方程組是算不出來的。不是說麥克斯韋方程組是完美描述了電磁現象么?是的,但麥克斯韋方程組沒有描述電子與物質的其他作用,比如產生的熱。

這部分就要靠歐姆定律去完成,歐姆定律實質上並非簡單的描述驅動電流的電場與電流之間的關係。驅動電子運動的方式很多,靜電場,感應電場,乾電池內部的化學現象,如果可能,拿個小鑷子夾著電子走也是可以的。一般我們把這種種效應都可以歸結成電場,達到形式上的統一,即 想飛的魚 答案中的形式,這部分非電磁作用的驅動,一般稱為局外電場。

想像一下,如果拿著鑷子夾著電子在非理想導體內移動,這時,就是歐姆定律來控制著導體內其他微粒對這個移動電子的阻力作用,並對其作負功。導體內能增加,溫度升高。所以,電機或其他流過電流的物質的發熱我們要用電流平方乘電阻,因為這個作用是與什麼來驅動無關的。

所以,歐姆定律是描述運動電荷與其他物質相互作用的。而麥克斯韋方程組是描述電磁作用的。


因為你沒上大學


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