FHSST 物理/電學/非線性傳導
"進步是透過回答問題來實現的。發現是透過質疑答案來實現的。"
伯納德·海施,天體物理學家
歐姆定律是一個簡單而強大的數學工具,可以幫助我們分析電力電路,但它也有侷限性,我們必須瞭解這些侷限性,才能將其正確地應用於實際電路。對於大多數導體來說,電阻是一個相當穩定的特性,它很大程度上不受電壓或電流的影響。因此,我們可以將大多數電路元件的電阻視為一個常數,電壓和電流之間呈反比關係。
例如,我們之前帶有 3 燈泡的電路示例中,我們透過將電壓除以電阻來計算電路中的電流 (I = E/R)。對於 18 伏特的電池,我們的電路電流為 6 安培。將電池電壓加倍到 36 伏特,導致電流加倍至 12 安培。當然,所有這些都說得通,只要燈泡繼續提供完全相同數量的摩擦力(電阻)來阻止電子透過它流動:3 Ω。
然而,現實並不總是這麼簡單。我們需要提到的現象之一是導體電阻會隨著溫度而變化。在白熾燈(利用電流加熱細金屬絲,使其發白熱的原理)中,燈絲的電阻會隨著其從室溫升至工作溫度而急劇增加。如果我們增加一個真實燈泡電路的電源電壓,由此產生的電流增加會導致燈絲溫度升高,這反過來又會增加其電阻,從而阻止電流進一步增加,除非進一步增加電池電壓。因此,電壓和電流不遵循簡單的方程 (假設 R 等於 3 ),因為白熾燈燈絲的電阻對於不同的電流並不穩定。
電阻隨溫度變化的現象幾乎所有金屬都有,大多數導線都是由金屬製成的。對於大多數應用來說,這些電阻的變化很小,可以忽略不計。在金屬燈絲的應用中,這種變化恰好很大。
然而,對燈泡電路進行更現實的分析,在多個不同的電池電壓值上,將生成此形狀的曲線圖
曲線圖不再是直線。它在左側急劇上升,因為電壓從零增加到低電平。當它向右移動時,我們看到這條線變得平坦,電路需要越來越大的電壓增加才能實現相同的電流增加。
如果我們嘗試應用歐姆定律來查詢此燈泡電路的電阻,使用上面繪製的電壓和電流值,我們將得到幾個不同的值。我們可以說,這裡的電阻是非線性的,隨著電流和電壓的增加而增加。非線性是由高溫對燈絲金屬線的影響造成的。