如何理解:电压与电流没有任何关系,电阻是电压与电流的关系表征。

文摘   科技   2024-10-25 18:58   浙江  

第一眼看这个描述:“电压与电流没有任何关系”,这句话感觉有点问题。但我们再仔细思考一下就会发现其实并没毛病,那么我们怎么来理解“电阻就是电压V和电流i关系的表征”这句话呢?

从更加基础物理知识出发,我们就会发现电压和电流的关系表征的不仅仅是电阻R,而是阻抗Z

我们知道电阻R是表示电阻器阻碍电流的特性,那么容抗Xc和感抗XL就是用来表示电容和电感阻碍电流的特征,同时也是在电感和电容上电压V和电流I的关系表征(Xc=1/jwC,XL=jwL)。

电子电路学有4个基本物理量:

电压:V

磁通量:φ

电流:I

电量:Q

这4个物理量构成了电路的理论基础,我们平时所使用的阻、容、感器件特性均从这些基本量中推理得到。

由电磁学理论得到的是:V & φ和Q & I这两组物理量的关系(而非V & I之间的关系),具体如下:

1. 根据麦克斯韦方程组的第三方程-法拉第定律:曲面磁通量的变化率等于感应生成电场的环流。

简单表述即:感应电场等于单位时间磁通量的变化,即,V=dφ/dt或dφ=V*dt。

2. 电磁学上将:单位时间(t)内通过导体任一横截面的电量(q)叫做电流强度(I),即I=dq/dt;或dq=i*dt

如下图所示,由这个4个基本物理量以及V & φ和Q & I物理量的关系出发,两两构成了一副4象限关系图,对应4种基本电路元件:电阻器,电容器,电感器以及忆阻器

那么电阻到底表示了什么意思呢?

电阻器:R=dV/dI,是指电流在电路中所遇到的阻力,描述为对电流阻碍的能力,是一种耗能元件。

电阻单位是Ω,1Ω的意思是:在该元件两端变化1V的电压降,将导致产生1A电流的变化。

从对电阻器的定义中,电阻R = dV/dI,而非V/I。

电阻从本质来说是载流子(自由电子是载流子的一种,当然在半导体中,空穴也是另外一种载流子)在受电场作用而位移过程中受到的阻力。

在理想情况下,电场力作用于自由电子,使电子朝电场的反向加速运动,根据牛顿第二定律,自由电子应当一直被加速(只要时间足够长,就可以将电子速度达到接近光速),电流随时间持续增大。

但实际上电流到达一个定值后就不会再增大,说明存在一个“摩擦力”反抗着电子的加速。而“摩擦力”主要来自于晶体晶格的热振动,晶体中的杂质、位错、点缺陷会使电子受到散射,而散射事件使得电子失去动能并改变运动方向,从而失去前进方向上的速度分量,这就是金属有电阻的原因。

对于横截面恒定材料的电阻来说,电阻R = ρ*Len/A。

其中,R:电阻值;ρ:体电阻率;Len:材料长度;A:材料横截面积。

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