電流為什麼總是趨向於流向電阻小的地方?
例如這個圖閉合開關S以後,電流也不流過R2電流難道有意識要從電阻小的地方過嗎?
題主的問題不錯。不過,問題的答案要看在什麼領域內回答了:在理論物理領域內回答和在純粹電路領域內回答不盡相同。
以下我在純粹的電路領域內回答問題。
題主的問題是電學初學者共同的疑問。他們認為:線路中電阻越小,則電流就越大,於是電流就偏愛走電阻小的地方。這個觀點當然是不正確的,原因在於沒有理解電流產生的本質原因。
我們來看下圖:
對於電阻R1和R2來說,兩者是並聯的,也即 。又因為 ,因此有:
我們看到,I2的值完全取決於兩電阻的比值。
若R2的值等於零,也即用短路線把R1短路,則全部電流都流過R2,也即短路線;
如果R2的阻值為無窮大,也即R2開路,則全部電流都流過R1;
如果R1=R2,則I2的值恰好是總電流的一半。
由此看出,流過某電阻的電流,完全取決於該電阻的阻值。電流沒有選擇性。
我們來看下圖:
圖中的左側是電源,線路中配套了一隻開關K,以及若干負載。這些負載有電阻器R,有信號燈HL,有電壓表MV,甚至還有一塊絕緣體M,以及空的接線端子XK1/.XK2。
當我們在時刻t=0合上開關K,於是電壓U就載入在各個並聯支路上,併產生支路電流。
由於各個負載都是並聯的,所有負載兩端的電壓都是U,並且有: ,而總電流自然就是 了。
說明一下,這裡的I4是極小的絕緣體漏電流。
我們知道並聯電路的電壓處處相等,於是根據歐姆定律 ,我們就能推出,電阻器R的電阻一定最小,信號燈次之,電壓表再次之,絕緣體的電阻一定最大,這也體現出絕緣體的特性和功能。
我們看到,電流並沒有特地向電阻小的地方走,因為總電流I的值並沒有任何發生變化。I1的值雖然大,I4的值雖然小,但是它們絲毫也沒有影響到其它各個支路的電流。
總結一下:
1)在並聯電路中,各個支路電流的大小與其它支路電流的大小無關。
2)電流並沒有選擇路徑,電流的取值完全是由歐姆定律所確定。
注意結論成立的條件是在並聯電路中運用歐姆定律。如果離開這個條件,這個結論不一定成立的。
由以上2條,我們得出結論:並聯電路的結構(包括具體的電阻阻值)決定了各個支路電流的大小,而不是電流自己決定往哪兒走。電路結構是因,而電流的具體值是果。
一個供配電的例子:
大家都知道,在小區居家配電中的各家各戶配電系統都是並聯的。我們發現王家的耗電量比較大,其配電等效電阻當然比較小;李家的耗電量較小,其配電等效電阻當然比較大。我們不可能說電流偏愛王家而不喜歡李家,而是戶內的配電形式和負載容量(等效於負載電阻)決定了哪家的電流大哪家的電流小。
既然電器、元器件和電路形式對電流影響這麼大,我們不妨就這個想法把問題往深處探討一番。
1.電器或者元器件的電阻阻值是由什麼決定的?
我們知道,金屬材料的原子特性是它傾向於丟棄最外層的電子,使得自己成為穩定的核外電子排列結構。這些被丟棄的電子就在金屬材料內部形成了海量的自由電子,金屬材料就相當於一塊浸透了自由電子的海綿。
我們還知道,非金屬材料的原子特性是搶奪電子,使得自己成為穩定的核外電子排列結構。因此,用非金屬材料製作的絕緣體,它的內部幾乎沒有自由電子。
還有一部分材料的特性正好介於金屬材料與非金屬材料之間,我們把它稱為半導體材料。
我們用金屬材料、非金屬材料和半導體材料製作出各種元器件和電器後,加上電壓,於是按歐姆定律,我們會看到有一定大小的電流流過。
我們看下圖:
也就是說,電流的大小取決於電壓和電阻,與其它因素無關。
那麼電阻與什麼有關?我們可以由電阻的定義式看出:
在這裡,當電器或者元器件的外形尺寸確定後,則電阻導體材料的電阻率、電阻溫度係數和環境溫度是關鍵。
我們看電阻率表,如下:
我們發現,這些參數與元器件處於電路中的哪一個位置,真的是一點關係也沒有。
2.通過電器或者元器件的電流只與自身的電阻阻值有關,與不同的電路無關
我們看下圖:
圖中的180歐電阻,只要它兩端的電壓是6V,則在任何電路中,流過它的電流都是33.3毫安。
就象我們在北京買一隻100毫升的燒杯,我們把它送到深圳,甚至送到到太平洋某島國,它還是1隻100毫升的燒杯,不會發生任何變化。
我們再一次看到前面給出的結論:
流過某處的電流,完全取決於該處電阻的阻值。電流沒有選擇性。
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我們來看一個很有意思的應用。看下圖:
從圖中我們可以看到,反饋電流一定不能過大。原因很簡單,如果電流過大,則圖中Ru上的電壓會降低,於是我們的反饋測量就不準了。
怎麼選擇反饋電流的大小?
由前面的描述我們已經知道,電流不具有任何選擇性,它的值是由所流經的電阻決定的。
我們設反饋等效電阻是Rf,且與Ru並聯,於是問題就變成兩者的比值如何確定。
一般地我們採取十倍原則,也即讓 。
我們來驗證一下:
原先沒有反饋時,反饋電壓也即Ru上的電壓是: ;
現在加了反饋,相當於電阻Rf與Ru並聯,於是現在的反饋電壓是:
由此可見,反饋電壓基本不變。
這個辦法在負反饋電路和自動控制中得到廣泛運用。
實際上,這個問題應該這樣來問,為什們電流總是趨向於流向電導大的地方?
電導,這個物理量是跟電阻互為倒數的,亦即 ,衡量的是電路器件的導電能力,電導越大,則導電性能越好。。
電流 。。在給定電勢差後,電流就正比於電導。。
另一方面,考慮到微觀的量子化電導 ,那麼對於並聯電路其電流分配方式就可以這麼理解了。。每條支路上都有若干個導電的通道【channel】,每個電子隨機地從這些導電通道通過,那麼對於一條支路,單位時間內通過的電子的數目就正比於這條支路上導電通道的數量。。
對於並聯情形,很容易知道,兩個電導【電阻】的總電導為 。
所以,電流就總是趨向於電導更大【導電通道更多】的地方。。
【留作習題】
對於串聯情況又如何呢?假定兩個電導【電阻】分別有導電通道的數量 和 ,那麼總電導【電阻】又是多少呢?
是不是等於 和 中較小的那一個呢?為什麼?
話說,對於電流如何分布,還有另一種理解方式。。
跟最小作用量原理類似,對於近平衡態系統,這裡有最小熵產生原理。。
【話說我一直覺得,最小作用量原理,實際上也是最小熵產生原理。。處理少體系統的經典力學和處理多體系統的統計力學就是這麼對應起來的,似乎數學上也是直接將時間帶以虛時間就行,畢竟虛時間對應溫度,而且我們已經熟知虛時格林函數就是配分函數這一點了。。qfzklm:是否所有的科學規律背後都反映著某種哲學上的統一性?若是,具體是什麼?】
對於電路系統,其熵產生就是電路的發熱,焦耳熱,那麼通過變分原理,對電流分配方式做變分,最小化電路產生的焦耳熱,最終也能得到電阻【電導】串聯和並聯的規律。。
如圖,兩個電阻 , 並聯,輸入的總電流為 ,假定各自之路上的電流分別為 和 ,且 則電路的熵產生為
由於電流分配是最小化熵產生的,在約束 下,利用拉格朗日乘子法,因此有
上兩式給出電流分配的槓桿關係 ,此即為並聯的電流分配規律。。
所以說,電流為什麼總是趨向於流向電阻小【電導大】的地方,就是因為這樣分配電流的話,電路產生的焦耳熱最小。。
電流流向是由電勢決定的,其中並不涉及電子的「選擇」。可以類比為一個生活中更常見、更好理解的過程:水往低處流。水不會選擇路徑,是重力決定了水的路徑——水總是流向由重力勢上升(重力勢能降低)的方向。
這裡可以順帶說一下「勢」是什麼。自然界一切自發過程(注意是自發過程),比如物體從高處下落、下滑;電子向正極運動;化學反應的方向等等…都是向物體攜帶的自由能(在這些問題中分別是重力勢能、電勢能、吉布斯自由能)降低的方向進行的。而勢的定義就是這些能量的負偏微分——偏微分這個概念到大學才會學到,你可以淺顯地理解為函數值的變化趨勢,是上升多少還是降低多少。把這個趨勢取負值就得到了勢。所有自發過程都是向勢升高的方向進行的。當然只是自發過程是這樣,如果涉及到另一物體對我們研究的物體做功的情況,這一規律就不再適用了,因為不是自發過程。
不學物理好久了,如有錯誤請指正_(:з」∠)_其他答案從公式和原理出發做了很好的解釋,但是我覺得應該並沒有解決題主的疑問。題主的問題,鄙人以為,是來源於對物理圖像的理解有誤。所謂電流是電荷的移動,電流不是物質,而是物質的運動。當你用水流來類比時一定要注意這一點。什麼意思呢?就是電路里的電荷在沒有電流時也是一直存在的,所以一條電路從沒有電流到有電流的變化過程(因為兩邊加上電壓),類比水流的話你不能想像成:一個乾涸河道突然從其他地方流過來了水流,這是完全錯誤的。正確的物理圖像類比應該是,原本充滿靜止的水的河道,因為兩端高度差的出現(類似電壓),原本靜止的水產生了移動,此所謂水流(電流)是也。我建議有自主思辨能力的人先用這個模型去思考題主這個問題,再看我下面的回答。原問題是:為什麼電流趨向於電阻小的地方?首先,電阻這個概念在物理學史上是遠遠晚於電流和電壓概念產生的。電阻是歐姆最先提出準確定義的,目的是描述對特定材料的電流和電壓的關係。電阻得名於此目的,表明的是材料對於電流的阻礙或者說遏製作用。同時,電阻的單位也得自於這位先驅者。所以,從概念淵源的角度,我們可以發現,這個問題很明顯是顛倒因果了,類似的問題如:為何隕石總是落在隕石坑裡?為何天一亮太陽就出來了?為何左手在右手的左邊?為何電阻小的地方電流大?我們再一次,分析原問題,就會發現,題主的問題更準確的應該敘述如下:在相同電壓下,為何電阻小的電路電流更大?是不是覺得這樣敘述問題似乎就比較顯然了?但問題還沒有完,題主在問題描述里具體似乎講了另一種情況。這種情況下,短路部分兩端電壓是零,電流只流經短路導線,而沒有經過電阻部分。這裡產生問題主要在於脫離實際,沒有注意物理模型只是現實情況的理想化抽象。應當說,不存在絕無電阻的導線,所以,實際情況是經過導線的電流遠大於電阻,我們可以近似認為沒有電流經過。因此,題主描述的問題真實的情形依然是,在兩端電壓固定(近似為零)的情況下,為何電阻小的電流大?又歸結到了之前的分析結果。分析到了這裡,可能有人還是覺得有哪裡不對。為何幾乎沒有電壓會有強的電流呢?類比水流似乎是沒有高度差的河流兩端,其中河流卻是洶湧奔騰?我提示一點,能使河水流淌的不僅僅是高度差,還有上流奔涌而來的河水,所謂後浪推前浪。
學習新知識的最佳方式就是把它類比為你所熟悉的知識。本文將拋開一切電的知識,全面類比為水,水的特性大家都知道。
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1。電池。
山上有個地勢高的水池,也就相當於是電勢高的正極。
山下有個地勢低的水池,也就相當於是電勢低的負極。
如果用管道連接,那麼高地勢的水就會向地勢低的地方流,這就形成了水流,也就是電流。
太陽曬,低地勢的水蒸發,到高地勢的水池下雨,這種由外界提供能量,完成低地勢到高地勢的轉移就是充電。
2。電阻。
有三種水管
第一種,裡面沒有雜物,對水流幾乎沒有阻力,這種可以看成是導線
第二種,裡面填滿了石塊,對水流有一定阻力,可以看成是電阻
第三種,裡面塞滿了沙子,對水流的阻力非常大,可以看成是電阻值非常大的電阻
附帶講解電阻知識點:水管的粗細就是導體的橫截面積,水管裡面的填充物就是導體的電阻率。所以橫截面積越大,阻力越小,填充物越充實(電阻率越大),阻力越大。
3。題目給出的電路圖
上面是山頂(正極),下面是山下(負極),空水管是導線,有填充物的水管是電阻。
如此類比,是不是很容易就能知道,左出水口的水流會遠小於右出水口。
如果這裡加大R2的電阻,比如左水管里的填充物由石塊換成沙子,那麼左出水口的是不是就基本只會滲水,水流可以忽略不計了?
4。額外講解分壓分流
左圖是並聯,1點和2點哪個壓力大?答案是一樣大,無論管道里的填充物是什麼都會一樣大。為什麼?因為1點和2點其實是聯通的管道,只要是聯通的密閉管道,裡面各處壓力都一樣,跟形狀無關。
右圖是串聯,1 2 3點哪個壓力大?答案是1 &> 2 &> 3 。1壓力最大是因為,1前面還有石塊+沙子要通過,而2壓力次之是因為2的前面只有沙子要通過,3就基本沒什麼壓力了。
注意,我們這裡說的水的壓力類比的是電勢而非電壓。電壓其實就是電勢差,量取電阻的分壓就是直接把電壓表接在電阻的兩端,所以,石塊的分壓是2-1,沙子的分壓是3-2 。此處3-2 &> 2-1,阻力大的分壓大 。因為根據常識,要水能通過裡面填了沙子或者石塊的水管,肯定是填了沙子的需要較大的水壓,是不是?所以此處又得出一個性質,一跟水管的阻力只和裡面塞了什麼有關,跟水壓和水流無關。這也是電阻的性質,電阻大小跟電壓電流無關。
不是電流傾向於流向電阻較小的支路,而是電阻較小的支路含有更多的「自由電子」。明確一個常識,不是電阻大的支路沒有電流流過,而是就算電阻再大都會有電流流過,除非是真空。
好像不僅僅是電流,整個宇宙都是傾向於懶惰的
顯然是兩邊都會流過啊,但電阻越高流的越少啊。
要是導線電阻為零,那證明電阻兩邊電勢一樣啊。
給你兩個水面一樣高的池子,你在當中接什麼樣的管道都不會有水流過。
用通俗的類比解決死板的規律。
先嘮點別的。還記得高中生物學過一個理論,細胞膜外液體濃度過高時,細胞內水分會外滲(有一個專屬名詞,不學生物好多年,忘了見諒)這個理論經常被用作考試考點,問你外液濃度高或者低細胞液水分流向如何balabala…(好像數學裡同一個水池一個進水一個放水的zz管理員那麼普遍的問題)。當時可能也是腦容量過負荷,總也記不準。直到一天午飯吃咸了,口乾舌燥的時候恍然大悟,好像一個大霹靂。。我用了一個非常淺顯的道理記住了這個理論,並且一輩子也不會忘:「自然界一切規律都在趨於一個平衡。」哈??啥意思??說深了,這是哲學問題。但往淺了說,會讓很多晦澀的問題迎刃而解。外液濃度過高,細胞內水分為啥要外滲??因為它傻!啊呸!因為要他想要平衡啊!只有內外部溶液濃度達到動態平衡才能停止水分交換。雖然大部分時候外滲的水分不過是杯水車薪,很多細胞自己最後變成木姨奶,但它真的在追求真(píng)理(héng)的路上儘力了。好了,言歸正傳,電學問題說的太深就沒意思了,這也是物理不討喜的原因所在。讓老衲一步一步帶你理解這個問題。
吶,你家衛生間的地漏你觀察過沒有?
(大豬真的不是猥瑣大叔,他真的很嚴肅的在解釋問題。)
現代裝修設計中,衛生間排水系統往往採用自然排水方式,也就是以地漏為中心,四周地面瓷磚以微小角度向地漏傾斜,大概是醬:
(注意!!前方高能!!!新世紀夏極拔畫派新晉靈魂畫手三秒作畫現在開始表演!)
這樣的話,地面只要有水,因為地漏位置低,四周高度緩降,水就會自然而然的向地漏流過去。(為什麼??別問我,今夜牛頓與你來相會)
那麼好了,水流=電流,原題「為什麼電流不會向電阻高的地方流」的解釋就好比「為什麼水不會從地漏爬坡到衛生間地面」,解了。
emmmm…也有可能,你家下水道堵了。如題主所放的圖……其實電流是流過R2的,只不過流過R2的電流是無限趨近於0(並聯的那個支路是理想無電阻導線的話就是0)而已。
電流沒有選擇性,把兩個並聯支路當作一個整體來看,這個整體的電阻無限趨近於0(或等於0),利用分壓可以算出這個並聯整體兩端的電壓無限趨近於0(等於0)。
然後用歐姆定律除一下就知道了。
電阻兩端的電壓差為0,只有電阻也為0才可能有電流。
這個問題有點像:光為什麼總以用時最短的路徑傳播
回答這個問題看似簡單,實際上還真不簡單。這個問題實際上不是問電流如何選擇通路,而是在問為什麼會形成電流。
現象上:電路中的 歐姆定律、基爾霍夫定律都完成了對該現象的描述,在場理論中:電磁感應定律、安培環路定律也都側面對該現象進行了說明。但是這個問題實際上不是問結果,而是在問原因。
我們可以拿著這些定律直接說:「因為歐姆定律決定,所以不走R2。」甚至可以從數學上計算出R2支路電流為0。但是真正要問為什麼,「計算就是結果為0」的回答可能也不會讓真正思考這個問題和受這個問題困擾的人得到信服。
很遺憾,我也沒法說清楚。但是,我感覺要完美回答這個答案,還真的得從最基本的物理學和數學入手。因為我認為:我們目前所有的工科幾乎在數學本質上都是以微積分方程組為基本規律,物理本質上都是研究某種物理量的運動性質的。而且都只是找到了客觀物理對象的運動規律,並能夠相互解釋對方現象,但是卻沒能說為什麼。當然,我們只要掌握了這種規律,便能較好地為工程服務的。至於原因,可能真需要愛因斯坦這類的能夠提出質能方程這樣的大家,也可能需要物理學上空時不時飄來幾朵烏雲。說不定來一套比肩於微積分的理論,這些問題就可能解決了。
電流是會從R2過的,只不過非常微弱。這是因為,即使是導線也有極弱的電阻。所以可以視作上方的導線與R2並聯,電流強度與電阻成反比。
如果你認為導線沒有電阻,那麼可以看作電流完全不走R2。
但事實上,電阻為0的導體幾乎不存在。謝邀。從專業角度解釋會比較複雜。通俗易懂來看,你可以這麼認為。你可以想像成電流流向和一群電子移動方向相同(實際相反),每個電子是一個小人兒。而電阻,顧名思義,就是阻礙小人兒移動的,你可以想像成電阻就是一個山洞,山洞裡牆壁上掛著機槍,一直保持開火狀態,而電阻大就是機槍布置密集,電阻小就是機槍布置稀疏。當小人通過山洞時,就會被打死,電阻大,打死的就多,電子損失就多,電流就小。反之,打死的少,電流就大
不是 電流的本質就是電子的走向 按道理是每個方向都一樣的 只是電阻大的地方 電子散射更多 所以整體呈現電流好像朝電阻小的地方
因為電壓是因,電流是果。
只要有電壓差存在,就會有電流存在。電荷沒有智能,它並不會按照電阻選擇它要走的路徑,只有電壓才決定電荷的流動。
事實上,電阻只是一個概念,它的度量純粹是使用電壓/電流的方法得到,如果電荷真有智能的話,它也根本不用看電阻的「臉色」行事,因為電壓和電流已經告訴它足夠的信息決定它應該如何流動。
因為電阻的意思就是對電的阻礙作用。
我是這樣理解的:
電流不是本來有那麼多,這條路分一點,那條路分一點,電阻少的路分得多。而是 電流是在電壓下產生的,電阻小的路產生的電流比電阻大的路產生的電流多而已。
就這樣。電流可以想像成水流
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