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欧姆定律
中文名
欧姆定律
外文名
ohm's law
别 名
欧律
表达式
I=U/R
适用领域
物理学/电学
欧姆定律(Ohm's law)是指在同一电路中,通过某段导体的电流跟这段导体两端的电压成正比,跟这段导体的电阻成反比。该定律是由德国物理学家乔治·西蒙·欧姆1826年4月发表的《金属导电定律的测定》论文提出的。
随研究电路工作的进展,人们逐渐认识到欧姆定律的重要性,欧姆本人的声誉也大大提高。为了纪念欧姆对电磁学的贡献,物理学界将电阻的单位命名为欧姆,以符号Ω表示。
适用范围
欧姆定律只适用于纯电阻电路,金属导电和电解液导电,在气体导电和半导体元件等中欧姆定律将不适用。
常见简述
在同一电路中,通过某一导体的电流跟这段导体两端的电压成正比,跟这段导体的电阻成反比,这就是欧姆定律。
标准式
$$I=\frac{U}{R}$$ (变形公式: $U=I R ; R=\frac{U}{I}$ ) 公式中物理量的单位:I: 电流,单位是安培 (A) 。 $U$ : 电压,单位是伏特 $(V)$. $R$ : 电阻,单位是欧姆 $(\Omega)$ 。
部分电路公式
$$I=\frac{U}{R},或 I=\frac{U}{R}=\frac{P}{U}(I=U: R)$$ (由欧姆定律的推导式 $【 U=I R ; R=\frac{U}{I} 】$ 能得到 (1):电压即为电流与电阻之 积; (2): 电阻即为电压与电流的比值。所以,这些变形公式仅作计算参考,并无具体实际 意义。) 欧姆定律成立时,以导体两端电压为横坐标,导体中的电流I为纵坐标,所做出的曲 线,称为伏安特性曲线。 这是一条通过坐标原点的直线,它的斜率为电阻的倒数。具有这 种性质的电器元件叫线性元件,其电阻叫线性电阻或欧姆电阻。 欧姆定律不成立时,伏安特性曲线不是过原点的直线,而是不同形状的曲线。把具有 这种性质的电器元件,叫作非线性元件。
全电路公式
$$I=\frac{E}{(R+r)}$$ $E$ 为电源电动势,单位为伏特 (V) ; $R$ 是负载电阻, $r$ 是电源内阻,单位均为欧姆符号是 $\Omega$; I单位是安培( $(\mathrm{A})$.
詹姆斯·麦克斯韦诠释
詹姆斯·麦克斯韦诠释欧姆定律为,处于某状态的导电体,其电动势与产生的电流成正比。因此,电动势与电流的比例,即电阻,不会随着电流而改变。在这里,电动势就是导电体两端的电压。参考这句引述的上下文,修饰语“处于某状态”,诠释为处于常温状态,这是因为物质的电阻率通常相依于温度。根据焦耳定律,导电体的焦耳加热(Joule heating)与电流有关,当传导电流于导电体时,导电体的温度会改变。电阻对于温度的相依性,使得在典型实验里,电阻相依于电流,从而很不容易直接核对这形式的欧姆定律。
设有一段金属导体,横截面积为 $S$ ,长为 $\mathrm{L}$ ,在导体的两端加上电压 $\mathrm{U}$ ,则导体中的场强 $\mathrm{E}=\mathrm{U} / \mathrm{L}$. 这时,一自由电子在电场力 $F=e E$ 的作用下做定向移动。设电子的质量为 $m$, 则定向移动的加速度为 $a=F / m=e E / m=U(e / \mathrm{mL})$ 。 运动的自由电子要频繁地与金属正离子碰撞,使其定向移动受到破坏,限制了移动速率的增加。自由电子在碰撞后向各个方 向弹射的机会相等,失去了之前定向移动的特性,又要从新开始做初速为 0 的定向加速运动。 自由电子相继两次碰撞的间隔有长有短,设平均时间为t,则自由电子在下次碰撞前的定向移动速率vt (以t为下标) =at,那 么在时间 $\mathrm{t}$ 内的平均速率 $\mathrm{v}=\mathrm{at} / 2$ 。结合之前推出的 $\mathrm{a}=\mathrm{U}(\mathrm{e} / \mathrm{mL})$ ,得自由电子的平均移动速率为 $$\mathrm{v}=\mathrm{U}(\mathrm{et} / 2 \mathrm{mL}).$$ 代入电流的微观表达式 $\mathrm{I}=\mathrm{neSv}$ ,得 $\mathrm{I}=\mathrm{U}\left(\mathrm{ne}^2 \mathrm{St} / 2 \mathrm{~mL}\right)$ 对于一定的金属材料,在一定的温度下,t是个确定的数值(10-14~10s),也就是说,对于一段金属导体, $\mathrm{ne}^2 \mathrm{St} / 2 \mathrm{mL}$ 是 个常量。 因此,导体中的电流强度I与两端的电压U成正比。导体两端的电压与导体中的电流强度的比值 $\left(2 \mathrm{mL} / \mathrm{ne}^2 \mathrm{St}\right)$ 就是这段导体的 电阻。由此看出,导体的电阻与长度成正比,与横截面积成反比,与 $1 / \mathrm{ne}^2 \mathrm{t}$ 成正比。 $1 / \mathrm{ne}^2 \mathrm{t}$,t由导体的特性决定。因此,在一定温 度时,导体的电阻是 $R=\rho L / S$ 。 $\rho$ 是导体的电阻率。对于一定温度与相同的导体,电阻率一定。
在通常温度或温度不太低的情况下,对于电子导电的导体(如金属),欧姆定律是一个很准确的定律。当温度低到某一温度时,金属导体可能从正常态进入超导态。处于超导态的导体电阻消失了,不加电压也可以有电流。对于这种情况,欧姆定律当然不再适用了。
在通常温度或温度变化范围不太大时,像电解液(酸、碱、盐的水溶液)这样离子导电的导体,欧姆定律也适用。而对于气体电离条件下,所呈现的导电状态,和一些导电器件,如电子管、晶体管等,欧姆定律不成立。
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