itslabtime.com

物理 · 电·磁

欧姆定律、电压与电流

欧姆定律指出,在恒定电阻下,在恒定温度和物理条件下,电压与电流成正比。如果电压增加,同时保持恒定电阻,那么电流也会以相同的比例增加。

相关实验:欧姆定律 →
欧姆定律
欧姆定律实验场景 →

电压是能量的差异,电流是电荷的流动。

电压是单位电荷所具有的电能的差异,1 V 等于 1 J/C。电流是单位时间内通过某一横截面积的电荷量,1 A 等于 1 C/s。电压表示能量传递的状态,而电流表示实际的电荷流动量。

在理想电阻中,V = IR,我们可以将其改写为 I = V/R。如果电压加倍,而电阻保持不变,那么电流也会加倍。如果电阻加倍,而电压保持不变,那么电流变为一半。关键在于,在每次比较中,我们保持不变的量。

当阅读图的斜率时,首先验证坐标轴。

如果水平轴代表电压 V,而垂直轴代表电流 I,则图是 I = (1/R)V,因此斜率是 1/R。 随着电阻增大,曲线会变得更平缓。 如果水平轴代表电流,而垂直轴代表电压,则图是 V = RI,因此斜率是 R。 随着电阻增大,曲线会变得更陡峭。

为了检查一个图是否是线性,应该在几个电压下进行测量,而不是仅仅在一点处计算 V/I。 此外,如果存在一个恒定的偏移或测量误差,也应检查该图是否通过原点,以及它与比例的偏差程度。

测量电路及其有效性条件

电流表与待测电阻串联连接,电压表则与电阻两端的两个端点并联。理想电流表的电阻接近于 0,电压表的电阻非常大,以最小化对电路的影响。在实验中,电路已完成,开关闭合,并记录下数值。

欧姆定律并非适用于所有电子元件的普遍线性定律。 具有温度变化而亮度变化的二极管,以及非欧姆电阻,均不表现出电压与电流之间简单的比例关系。 在实验中测量的电阻,已除去了温度变化以及电源和仪器内部电阻的影响。

关键关系与符号

V = IR · I = V/R · P = VI

符号及公式中使用的单位
符号含义单位
V电阻上的电压V
I电阻上的电流A
R电阻值Ω
P电功率W

工作实例

当将 6 伏电压施加到 10 欧姆电阻时,当前的数值和功率消耗是多少?

I = 6/10 = 0.6 A。 并且,P = 6 × 0.6 = 3.6 W。 如果电阻改变为 20 Ω,那么在相同的 6 V 下,电流将为 0.3 A。 此外,当 x 轴代表电压时,曲线的斜率也减少了一半。

常见误解

  • 在将图的斜率称为“阻力”之前,需要验证横轴和纵轴。
  • 电流表连接在串联电路中,电压表连接在并联电路中,而不是串联-并联电路。

通过实验探索这个概念

参考文献

OpenStax · 物理章节 (英文)