【導(dǎo)讀】電阻是一種被動(dòng)的兩端電氣組件,將電阻作為電路元件實(shí)現(xiàn)。它是阻礙電荷流動(dòng)的導(dǎo)體,從而產(chǎn)生電阻。這種抗性是由于自由電子和導(dǎo)體原子的晶體晶格的碰撞而產(chǎn)生的。這是電阻的主要特性。
電阻是一種被動(dòng)的兩端電氣組件,將電阻作為電路元件實(shí)現(xiàn)。它是阻礙電荷流動(dòng)的導(dǎo)體,從而產(chǎn)生電阻。這種抗性是由于自由電子和導(dǎo)體原子的晶體晶格的碰撞而產(chǎn)生的。這是電阻的主要特性。
在電子電路中,電阻通常用于降低電流流量,調(diào)整信號(hào)水平,劃分電壓,偏置活動(dòng)元件和終止傳輸線。
圖1顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路,該電路由兩根電線連接到電阻的電池組成。我們假設(shè)連接線沒(méi)有電阻。實(shí)際上,我們可以安全地假設(shè)電路周?chē)漠?dāng)前“ i”是相同的。
圖1:連接到電池的典型電阻
正如我們已經(jīng)提到的那樣,歐姆定律指出,通過(guò)電阻器的當(dāng)前“ I”與在其上施加的電壓“ ?V”成正比。等式1回憶起這一法律:
等式1:歐姆定律
其中“ r”稱為歐姆(ω)單位的電阻。 'i'也以安培和伏特的“ ?V”測(cè)量。
該行業(yè)中有許多不同類(lèi)型的電阻,它們用于許多目的。同樣,在電子電路中,電阻通常以串聯(lián)或平行連接。例如,電路設(shè)計(jì)師可能會(huì)將幾個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)值的電阻組合在一起,以達(dá)到特定的電阻值。
用于制造電阻的常見(jiàn)材料是碳。圖2顯示了碳電阻的典型結(jié)構(gòu)。
圖2:碳組成電阻的橫截面視圖
在此圖中,碳組成芯是實(shí)際的電阻元件。該主要部分被通常由陶瓷材料制成的絕緣層所包圍。,使用兩條導(dǎo)線將電阻連接到電路。
電阻的兩個(gè)重要類(lèi)別是金屬和碳膜電阻,它們也具有陶瓷芯。在這些技術(shù)中,通常將碳/金屬涂料軌道包裹在陶瓷芯上,并附著兩個(gè)銅線。同樣,該軌道可以由金屬氧化物材料制成,該金屬具有類(lèi)似于碳的半導(dǎo)體特性。兩種類(lèi)型的螺旋切割都可以增加電阻路徑的有效長(zhǎng)度,并可以進(jìn)行的電阻值調(diào)整。
圖3顯示了此類(lèi)電阻的典型結(jié)構(gòu)。
圖3:碳膜電阻的橫截面
然后對(duì)電阻進(jìn)行繪制并標(biāo)記以識(shí)別。電阻值和公差通常用零件主體周?chē)膸讉€(gè)彩色帶表示。這種電子組件的標(biāo)記技術(shù)已經(jīng)在1920年代開(kāi)發(fā)。
一個(gè)離散電阻通常具有四個(gè)彩色帶,以指示其在歐姆(ω)單位(ω)單位的電阻,如圖4所示。
圖4:帶有顏色代碼的線性電阻器
前兩個(gè)彩色帶代表了電阻器電阻的前兩個(gè)數(shù)字。第三顏色是乘數(shù)。第四顏色表示電阻的公差。表1顯示了每個(gè)顏色代碼的數(shù)字值。
表1:電阻顏色代碼
例如,圖4中所示的電阻為52×106Ω ± 10%。
為了使示意圖圖中的電阻器符號(hào),有兩種常用的標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)院(ANSI)和國(guó)際電氣技術(shù)委員會(huì)(IEC)提供。它們?nèi)鐖D5所示:
圖5:電阻器的示意圖(a)ANSI和(b)IEC
電動(dòng)力
考慮圖6中的電路,該電路再次連接到電阻器。我們假設(shè)連接線沒(méi)有電阻。實(shí)際上,我們可以安全地假設(shè)電路周?chē)漠?dāng)前“ i”是相同的。
圖6:電阻和電池作為EMF來(lái)源的電路
從本質(zhì)上講,在電路周?chē)?qū)動(dòng)電流的主要力來(lái)自源F s,通常由電池提供。電池會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)力,并通過(guò)外部電路驅(qū)動(dòng)電流。
負(fù)責(zé)F S的體育活動(dòng)可能是許多不同的事情:在電池中,這是一種化學(xué)力。無(wú)論該機(jī)制是什么,其凈效應(yīng)都是由f s周?chē)膄 s積分定義的,如等式2:
等式2:電動(dòng)力的定義
其中f s以紐頓(N)和DL的單位為單位,以米(m)為單位。然后,?稱為電路的電動(dòng)力或電動(dòng)勢(shì)。該術(shù)語(yǔ)可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo),因?yàn)樗砟芰慷皇橇?。?lái)源的EMF是每單位收費(fèi)完成的工作;因此,EMF的SI單位是Volt。
本質(zhì)上,EMF的來(lái)源將非電能轉(zhuǎn)換為電能。例如,電池和電氣發(fā)電機(jī)。 EMF的來(lái)源可以被認(rèn)為是迫使電子沿源內(nèi)靜電場(chǎng)的方向移動(dòng)的電荷泵。
在圖6中,對(duì)于EMF的理想來(lái)源,電阻的兩個(gè)導(dǎo)線之間的電勢(shì)差等于電池的電動(dòng)力。等式3解釋了此屬性。
等式3:理想來(lái)源中?V和EMF的平等性
因此,電池的功能是保持其端子等于其電動(dòng)力的端子之間的電壓差。所得的靜電場(chǎng)E驅(qū)動(dòng)電路的其余部分驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)前資源的內(nèi)部抵抗力
圖6的電路可以通過(guò)圖7中的圖進(jìn)行示意性描述。
圖7:連接到電池端子的電阻的電路圖
由虛線矩形表示的電池由串聯(lián)的EMF源組成,并具有內(nèi)部電阻r ?,F(xiàn)在,想象一下圖6中電池內(nèi)部電極的正電荷。隨著電荷從負(fù)電池的正端子傳遞,電荷的電勢(shì)增加。但是,隨著電荷穿過(guò)電阻r的移動(dòng),其電勢(shì)減少了量(I. r in),其中i是電路中的電流。因此,電池的端子電壓?V由等式4:給出。
方程4:ΔV和EMF之間的關(guān)系,包括內(nèi)部電阻
通過(guò)檢查圖6,我們發(fā)現(xiàn)末端電壓?V還必須等于外部電阻r L的電勢(shì)差,通常稱為載荷 電阻。也就是說(shuō),?V = ir l。將這種關(guān)系與等式4相結(jié)合,我們到達(dá)等式5:
方程5:閉環(huán)周?chē)须妷旱目偤?/p>
公式5表示在任何電路中,所有電壓的代數(shù)總和圍繞封閉環(huán)下降必須等于零。 電路理論中的這一原理被稱為 基爾喬夫的電壓定律 (KVL) -網(wǎng)格規(guī)則。這是節(jié)能的結(jié)果 。
求解電流的方程5給出了等式6:
等式6:按負(fù)載和內(nèi)部電阻方面的電流
等式6顯示,此簡(jiǎn)單電路中的電流取決于電池外部的電阻(負(fù)載)和電池的內(nèi)部電阻。如果r l遠(yuǎn)大于r中的r,我們可以在分析中忽略r ,并得出結(jié)論,當(dāng)前的“ i”僅取決于負(fù)載(i =?/r l)。這是我們通常在電路分析中使用的近似值。
但是,由于真正的電池總是具有有限的內(nèi)部電阻r ,因此端子電壓實(shí)際上并不完全等于EMF。
電能和功率耗散
如果電池用于在導(dǎo)體中建立電流,則將存儲(chǔ)在電池中的化學(xué)能不斷轉(zhuǎn)換為電荷 載體的動(dòng)能。由于電荷載體和導(dǎo)體中固定原子之間的碰撞,這種動(dòng)能很快就會(huì)損失,從而導(dǎo)致導(dǎo)體溫度升高。這樣,將存儲(chǔ)在電池中的化學(xué)能不斷轉(zhuǎn)換為熱能。
因此,在圖6的電路中,電池中的某些化學(xué)能已輸送到電阻器,并導(dǎo)致其溫度升高。
圖8顯示了導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)的一個(gè)簡(jiǎn)單模型,其中導(dǎo)體中的電場(chǎng)E導(dǎo)致電子沿與施加的電場(chǎng)相反的方向漂移,而在某些碰撞與固定原子的碰撞后,電子場(chǎng)的 漂移速度 V d。
圖8:導(dǎo)體原子結(jié)構(gòu)內(nèi)的自由電子的運(yùn)動(dòng)
一般來(lái)說(shuō),能量是進(jìn)行工作或改變的能力,而權(quán)力則定義為隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生或消耗能量的速度。能量與功率之間的關(guān)系由等式7:
等式7:權(quán)力的一般定義
能量在焦耳(J) 中測(cè)量,而功率則以瓦(W)為單位進(jìn)行測(cè)量。時(shí)間通常以秒為單位進(jìn)行測(cè)量。能量單位的名稱是指英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule ,1818 - 1889年)。權(quán)力單位被命名為紀(jì)念詹姆斯·瓦特(James Watt,1736- 1819年),第18世紀(jì)蘇格蘭發(fā)明家,機(jī)械工程師和蒸汽機(jī)的發(fā)明者。因此,一瓦的功率等于每秒傳遞的一種能量的焦點(diǎn)。
本質(zhì)上,電力也是組件電路中電能傳遞速率。同樣,電力以瓦特單位進(jìn)行測(cè)量。
可以在基本原理中找到通過(guò)任意導(dǎo)電主體維持電流穩(wěn)定流動(dòng)所需的電力。圖9顯示了連接到電勢(shì)差?V的長(zhǎng)度“ L”和橫截面區(qū)域的電阻體。
圖9:任意指揮機(jī)構(gòu)
轉(zhuǎn)換為導(dǎo)體V體積V中的熱量或消散 功率的總電力可以計(jì)算為等式8:
等式8:功率耗散的定義
其中p是在連續(xù)介質(zhì)中消散的功率,DV是立方米單位(M 3)的體積元素, J是當(dāng)前密度向量,單位為每平方米(A/M 2),E是E電場(chǎng)矢量為每米伏(v/m)。該方程是焦耳定律的體積和基本形式,它定量地描述了電阻中電阻從電能(功率)產(chǎn)生的熱能(功率)的速率。
(EJ)的乘積在穩(wěn)定的條件下稱為功率密度,每立方米的瓦特單位(w/m 3)。
在恒定橫截面的導(dǎo)體中,體積(DV)的元素等于(s.dl)的乘法,其中S是橫截面的面積,而DL是距離的元素。那么等式8的音量積分可以寫(xiě)為等式9:
等式9:電力的定義
我們可以發(fā)現(xiàn),我們?cè)谏弦黄恼轮刑岬降碾妷旱亩x出現(xiàn)在等式9中。然后,我們可以使用它以當(dāng)電流和電壓為方程式在公式10中找到功率(p),這代表了將能量傳遞給導(dǎo)體的速率:
方程式10:電源和電壓的定義
我是安培和?V單位的穩(wěn)定電流,是電壓中導(dǎo)體/電阻器體內(nèi)的電勢(shì)差。該方程式指出,功率(瓦特)等于組件上電流的電壓乘以通過(guò)該組件的電流。因此,一瓦在電氣方面等于一個(gè)伏特。
方程式10通??捎糜诖_定從電壓源傳遞到攜帶電流i并在其端子之間具有電勢(shì)差的任何電子組件的功率。它可能是電阻器,燈泡,電容器或其他東西。
在電阻載荷(歐姆或線性)的特定情況下,我們可以在等式1中參考?xì)W姆定律。結(jié)合了方程式1和10 ,我們可以表達(dá)以等式11的替代形式消散的電阻的電力:
等式11:就電流和電阻而言耗能
這是焦耳巡回理論中的加熱法。在安培(Amperes)和歐姆(Rehm)的r中,p以瓦特(焦耳(Joules)每秒)出來(lái)。根據(jù)焦耳定律,電阻器中產(chǎn)生的熱量與電流乘以電阻成正比。從源到電阻R的導(dǎo)體傳遞的功率通常稱為I 2 R損失。
請(qǐng)注意,等式11僅適用于電阻,而不適用于燈泡和二極管等非腐蝕設(shè)備。
從電力的角度來(lái)看,電路中的組件可以分為兩類(lèi):
主動(dòng)設(shè)備(電源),例如發(fā)電機(jī)和電池;
被動(dòng)設(shè)備(負(fù)載),該設(shè)備從電路中“消耗”電力。
燈,二極管和其他電子組件也具有的功率等級(jí)。如果我們以高于其評(píng)級(jí)的功率水平使用它們,則這種過(guò)多的功率會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞和故障。
當(dāng)我們選擇零件時(shí),我們應(yīng)該考慮該零件在電路中需要處理的功率。我們可以通過(guò)確定我們將通過(guò)零件和整個(gè)零件的電壓的電流來(lái)做到這一點(diǎn),然后將這些數(shù)量乘以(指方程式10)。然后,我們可以選擇具有功率評(píng)級(jí)的零件,該零件超過(guò)了具有足夠安全系數(shù)的功率的估計(jì)值。
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