FHSST 物理/电学/非线性传导
"进步是通过回答问题来实现的。发现是通过质疑答案来实现的。"
伯纳德·海施,天体物理学家
欧姆定律是一个简单而强大的数学工具,可以帮助我们分析电力电路,但它也有局限性,我们必须了解这些局限性,才能将其正确地应用于实际电路。对于大多数导体来说,电阻是一个相当稳定的特性,它很大程度上不受电压或电流的影响。因此,我们可以将大多数电路元件的电阻视为一个常数,电压和电流之间呈反比关系。
例如,我们之前带有 3 灯泡的电路示例中,我们通过将电压除以电阻来计算电路中的电流 (I = E/R)。对于 18 伏特的电池,我们的电路电流为 6 安培。将电池电压加倍到 36 伏特,导致电流加倍至 12 安培。当然,所有这些都说得通,只要灯泡继续提供完全相同数量的摩擦力(电阻)来阻止电子通过它流动:3 Ω。
然而,现实并不总是这么简单。我们需要提到的现象之一是导体电阻会随着温度而变化。在白炽灯(利用电流加热细金属丝,使其发白热的原理)中,灯丝的电阻会随着其从室温升至工作温度而急剧增加。如果我们增加一个真实灯泡电路的电源电压,由此产生的电流增加会导致灯丝温度升高,这反过来又会增加其电阻,从而阻止电流进一步增加,除非进一步增加电池电压。因此,电压和电流不遵循简单的方程 (假设 R 等于 3 ),因为白炽灯灯丝的电阻对于不同的电流并不稳定。
电阻随温度变化的现象几乎所有金属都有,大多数导线都是由金属制成的。对于大多数应用来说,这些电阻的变化很小,可以忽略不计。在金属灯丝的应用中,这种变化恰好很大。
然而,对灯泡电路进行更现实的分析,在多个不同的电池电压值上,将生成此形状的曲线图
曲线图不再是直线。它在左侧急剧上升,因为电压从零增加到低电平。当它向右移动时,我们看到这条线变得平坦,电路需要越来越大的电压增加才能实现相同的电流增加。
如果我们尝试应用欧姆定律来查找此灯泡电路的电阻,使用上面绘制的电压和电流值,我们将得到几个不同的值。我们可以说,这里的电阻是非线性的,随着电流和电压的增加而增加。非线性是由高温对灯丝金属线的影响造成的。