電阻
定義:導體對電流的阻礙作用就叫該導體的電阻。不同的導體,電阻一般不同,電阻是導體本身的一種性質。定義式如下:
因此,我們應該清楚了歐姆定律的本質到底是什麼,為啥電阻跟電壓和電流沒有關係,就是因為電阻是導體本身的一種屬性,因此導體的電阻與導體是否接入電路、導體中有無電流、電流的大小等因素無關。
所以本次分析電阻要從電荷的角度說起,也就是從自由電子在導體內部運動的實質去討論電阻的一些性質,並結合了初中電學,以及串聯,並聯等基本電路結構來分析。
我們在學電學的時候常聽見什麼串聯電阻大,並聯電阻小,為啥呀,其背後的物理意義是什麼呢?
初中電學的一些論斷
關於電阻的決定式如下:
表徵決定電阻大小的一些因素。
1、長度:當材料和橫截面積相同時,導體的長度越長,電阻越大。
2、橫截面積:當材料和長度相同時,導體的橫截面積越小,電阻越大 。
3、材料:當長度和橫截面積相同時,不同材料的導體電阻不同 。例如,超導體的電阻率為零,所以超導體電阻為零
4、溫度:對大多數導體來說,溫度越高,電阻越大,如金屬等;對少數導體來說,溫度越高,電阻越小,如碳 。
大家看了上面這些東西,覺得把問題說清楚了沒有,我覺得並沒有說清楚,還差什麼呢?
憑什麼就說這些因素就能影響電阻的大小呢?關於其本質還是沒有說清楚,只是我們根據公式來推出來的結論,這並沒有說服我。
電阻本質
我繼續從電荷的本質方面,結合自由電子運動的角度分析一下上面的定義式所存在的問題。
下面有幾個理論基礎:
1.金屬導體中的電流是自由電子定向移動形成的。
2.自由電子在運動中要與金屬正離子頻繁碰撞,每秒鐘的碰撞次數高達10的15次方左右。
3.這種碰撞阻礙了自由電子的定向移動,表示這種阻礙作用的物理量叫作電阻。
4.不但金屬導體有電阻,其他物體也有電阻。
5.導體的電阻是由它本身的物理條件決定的,金屬導體的電阻是由它的材料性質、長短、粗細(橫截面積)以及使用溫度決定的。
6.電流的定義式:
即通過導體橫截面的電荷量Q跟通過這些電荷量所用的時間t的比值。
電流的決定式:
I = nesv
n 表示單位體積內的自由電荷數;e自由電荷的電量; s為導體橫截面積; v為自由電荷定向移動的速率。
因此,我們從電荷方面入手是正確的,基於上面的這幾個理論,我們做如下的解釋。
自由電子通過導體遇到阻礙,因此電阻率只和材料有關,電阻率跟導電性大小有關,越導電的材料電阻率越小,電阻就越小;導體的長度越長阻礙的部分會增加,會阻礙電子運動,電子運動速率會減慢,電阻就很越大;橫截面積越大,自由電子單位時間內通過的電荷量越多,電流就越大,阻礙作用就越小,電子運動速率會變大,電阻就越小。關於溫度的論斷,應該和微觀粒子的熱運動有關係。
至此,我們清楚了電阻的定義是背後的物理意義。
串聯與並聯電阻分析
1.串聯不就相當於增加了導體的長度,公式就是純粹的電阻之和。
2.並聯就相當於增加了導體的橫截面積,關於其計算公式如下:
並聯公式證明:
I總=I1+I2+......+In
U總=U1=U2=……=Un;
根據歐姆定律,U/I=R,並取倒數得:
1/R總=1/R1+1/R2+……+1/Rn
證明完畢。
所以呀,只要說清楚,這其實很簡單的,考試不需要背,直接上手都可以。可惜有的老師根本不會教我們這種思想,而我們自己當時又不知道,所以呀才會令人乏味。
並且,國內的教學好像不是很注重基本理論和基本原理的分析與演示,導致我們學習的時候經常理解不到位,只會做題,只會計算。我們很多東西,包括數學方面的理解,都要從國外的網站上去學習和轉載。不過近幾年來很多人都意識到了這一點,開始注重演示效果,利於學生理解和學習了。
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