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物理 · 電·磁

歐姆定律、電壓與電流

歐姆定律指出,在恆定電阻下,在恆定溫度和物理條件下,電壓與電流成正比。如果電壓增加,同時保持恆定電阻,那麼電流也會以相同的比例增加。

相關實驗:歐姆定律 →
歐姆定律
歐姆定律實驗場景 →

電壓是能量的差異,電流是電荷的流動。

電壓是單位電荷所具有的電能的差異,1 V 等於 1 J/C。電流是單位時間內透過某一橫截面積的電荷量,1 A 等於 1 C/s。電壓表示能量傳遞的狀態,而電流表示實際的電荷流動量。

在理想電阻中,V = IR,我們可以將其改寫為 I = V/R。如果電壓加倍,而電阻保持不變,那麼電流也會加倍。如果電阻加倍,而電壓保持不變,那麼電流變為一半。關鍵在於,在每次比較中,我們保持不變的量。

當閱讀圖的斜率時,首先驗證座標軸。

如果水平軸代表電壓 V,而垂直軸代表電流 I,則圖是 I = (1/R)V,因此斜率是 1/R。 隨著電阻增大,曲線會變得更平緩。 如果水平軸代表電流,而垂直軸代表電壓,則圖是 V = RI,因此斜率是 R。 隨著電阻增大,曲線會變得更陡峭。

為了檢查一個圖是否是線性,應該在幾個電壓下進行測量,而不是僅僅在一點處計算 V/I。 此外,如果存在一個恆定的偏移或測量誤差,也應檢查該圖是否透過原點,以及它與比例的偏差程度。

測量電路及其有效性條件

電流表與待測電阻串聯連線,電壓表則與電阻兩端的兩個端點並聯。理想電流表的電阻接近於 0,電壓表的電阻非常大,以最小化對電路的影響。在實驗中,電路已完成,開關閉合,並記錄下數值。

歐姆定律並非適用於所有電子元件的普遍線性定律。 具有溫度變化而亮度變化的二極體,以及非歐姆電阻,均不表現出電壓與電流之間簡單的比例關係。 在實驗中測量的電阻,已除去了溫度變化以及電源和儀器內部電阻的影響。

關鍵關係與符號

V = IR · I = V/R · P = VI

符號及公式中使用的單位
符號含義單位
V電阻上的電壓V
I電阻上的電流A
R電阻值Ω
P電功率W

透過範例確認

當將 6 伏電壓施加到 10 歐姆電阻時,當前的數值和功率消耗是多少?

I = 6/10 = 0.6 A。 並且,P = 6 × 0.6 = 3.6 W。 如果電阻改變為 20 Ω,那麼在相同的 6 V 下,電流將為 0.3 A。 此外,當 x 軸代表電壓時,曲線的斜率也減少了一半。

常見誤解

  • 在將圖的斜率稱為“阻力”之前,需要驗證橫軸和縱軸。
  • 電流表連線在串聯電路中,電壓表連線在並聯電路中,而不是串聯-並聯電路。

透過實驗探索這個概念

參考文獻

OpenStax · 物理章節 (英文)