欧姆定律定义10年级

欧姆定律，它定义了电阻、电压和电流之间如何相互关联。跨越不同物质的电压或电势差决定了通过它们的恒定电流大小。

欧姆定律的早期历史

欧姆定律首次出现在1827年乔治·欧姆（Georg Ohm）的著作《电路链，数学推导》（The Galvanic Chain, Mathematically Worked Out）中。尽管当时它对电学物理学非常重要，但其他研究者和批评者并没有热烈欢迎这项定律。当时的德国教育部长将乔治·欧姆的发现视为异端。

在柏林做家教期间，欧姆经历了多年的艰辛生活，直到1833年被任命为纽伦堡工业大学（Nuremberg Polytechnic School）的校长。1841年，伦敦皇家学会授予他科普利奖章（Copley Medal），以表彰他发现的重要性。次年，他被接纳为皇家学会的正式会员。欧姆长期以来希望成为慕尼黑大学（University of Munich）实验物理学教授的愿望，于1849年实现，在他去世前五年。

与彼得·巴洛（Peter Barlow）早期提出的错误结论——总电流量与导体横截面积成正比的定律相比，欧姆定律获得了广泛的接受，并在电报系统的发展以及电学科学方面展现了实际应用。欧姆定律即使在当代电磁学和电路理论中也依然成立。令人惊讶的是，该方程在原子层面也同样有效；欧姆定律所陈述的关系仍然适用于电流通过由五个原子组成的硅线。

早期对电学力学进行的定量解释都非常重要，但欧姆定律可能是其中最重要的一项。如今，我们认为它理所当然。当欧姆最初发表他的论文时并非如此；批评者对他的论述表示敌意。他们称他的著作是“纯粹幻想的网”，教育部长宣称“宣扬这种异端邪说的教授不配教授科学”。当时德国普遍的科学思想认为，由于大自然是如此完美地组织起来，因此无需通过实验来获得知识，科学结论只能通过推理得出。数学家马丁·欧姆（Martin Ohm）也在与德国教育体系作斗争。这些限制阻碍了欧姆的工作，直到1840年代他的思想才获得广泛认可。但在他去世前，欧姆因其科学成就受到了表彰。

到1850年代，欧姆定律已广为人知并被认为是已被证明的。如塞缪尔·莫尔斯（Samuel F. B. Morse）在1855年所述，“巴洛定律”等替代方案在实际电报系统设计应用方面被证明是无效的。

1897年，J. J. Thomson发现了电子，并很快意识到它是电路上负责传输电流的粒子（电荷载流子）。1900年，保罗·德鲁德（Paul Drude）提出了最早的（经典）导电理论——德鲁德模型，它为欧姆定律提供了正式的解释。根据该理论，固体导体由一个不动的原子（离子）晶格组成，其中包含随机移动的导电电子。当在导体两端施加电压时，就会产生电场并加速电子在其路径上前进，从而产生电流。然而，当电子撞击原子时，它们会散射并以无规律的方式移动，将动能转化为热能。通过统计分布可以证明，在很宽的电压范围内，平均电子漂移速度，从而电流，与电场成正比，因此与电压成正比。

尽管20世纪20年代量子力学理论的引入对这一图景有所改变，但在当代理论中仍然可以证明平均电子漂移速度与电场相对应，从而推导出欧姆定律。1927年，阿诺德·索末菲尔德（Arnold Sommerfeld）通过将电子能量的量子费米-狄拉克分布概念应用于德鲁德模型，创建了自由电子模型。一年后，费利克斯·布洛赫（Felix Bloch）证明电子在固态晶格中以波（布洛赫电子）的形式传播，从而推翻了德鲁德模型中电子散射模型。因此，电子散射并不是一个重要的机制；相反，电子散射发生在含有杂质和材料缺陷的原子上。最终的继承者，当代固态量子能带理论表明，固体中的电子被限制在具有能隙的能带中，这些能隙是不允许电子粒子的能量所在的，这与德鲁德模型所假设的相反。解释了为什么有些物质导电，而有些半导体以及某些绝缘体，是因为特定物质的带隙大小对其电阻率有显著影响。

虽然之前用于表示电导的单位“姆欧”（mho）仍然在使用，但在1971年，采用了以恩斯特·维尔纳·冯·西门子（Ernst Werner von Siemens）命名的“西门子”（siemens）作为新名称。在撰写正式文件时，推荐使用“西门子”。

欧姆定律的公式

电压、电流和电阻都写为

V=IR

欧姆（Ω）是SI单位制中电阻的符号。

要理解欧姆定律，必须理解三个基本概念——电压、电流和电阻。

电压： 电压是每库仑传递的能量的度量。也可以说它是两个端子间的电势能。一个伏特（V）的电势差在两个端子之间，为每库仑通过的电荷提供一焦耳的能量。

电阻： 指的是物质阻碍电流流动的特征。因此，电阻值较高的电路允许通过的电荷比例较小，而电阻值较低的电路允许更多的电子通过，支持通过的总电流。

横截面积恒定的导线中的电阻值会根据导线的长度和横截面积的值而变化。它与l/A成正比。

R = ?

导体温度是影响电阻的另一个因素。

电流： 电流是指电荷在特定横截面积上移动的速率。当1C的电荷，即6.24 x 10¹⁹个电子，在单位时间内通过某个横截面积时，定义的电流为1A。

欧姆定律的局限性

欧姆定律有一些限制。它们是：

• 欧姆定律在单向网络中失效且不适用，即只允许电流沿一个方向流动的网络，例如包含二极管、晶体管等其他电子元件的网络。
• 非线性元件，即其中施加的电压并不总是产生比例电流的元件。随着施加电压和电流的变化，这些元件的电阻也会发生变化，不会保持恒定值。因此，这些元件不遵循欧姆定律，因为电阻值会发生变化。

欧姆定律的应用

欧姆定律有助于计算电路的电压、电流和电阻值。因此，我们可以利用这些数据确定漂移速度、电阻率等其他参数的值。我们还可以用它来估算功率消耗。

• 日常生活中的应用： 欧姆定律非常基础，在电子元件和电器设备中有许多实际应用。让我们专注于几个欧姆定律在我们日常生活中应用的真实示例。
  每个人都熟悉电位器，它用于调节风扇的速度。电位器是一种电阻值可变的电子元件。电位器可以用来调节普通风扇的速度。为此，使用一个圆形的旋钮。旋钮固定在部件上。旋转此旋钮将使输出元件的电阻设置为所需值。因此，对于给定的输入电阻值，我们可以确定电阻值和电流。结果，它让我们了解了功率。欧姆定律用于计算这些数字。
• 组件所需功率： 为了驱动电热水壶、电熨斗等电器，需要无数的电阻器。这些设备正常运行都需要它们。为了达到最佳运行效果，有必要根据所需的功率来确定这些电阻器的尺寸。P=VI是用于计算功率的公式。
• 电子设备的功率需求和输出： 我们可以通过观察电加热器的线圈和使用的电压来确定其功率。根据电费支付的金额是通过将功率乘以天数和使用时间来确定的。
• 保险丝： 欧姆定律可用于选择合适的保险丝。断路器和保险丝用于保护电路。它们串联连接到电器上。我们可以使用欧姆定律确定通过保险丝的潜在电流。高电流值可能会损坏电路，甚至导致电器爆炸。欧姆定律可以在两种情况下应用，以帮助选择保险丝。第一种情况是电阻值已知时，第二种情况是电阻值未知时。

欧姆定律可以用来证明什么？

欧姆定律可用于验证静态电路元件值、电流水平、电压源和压降。如果测试设备发现的电流读数异常高，则可能表明存在高电压情况。如果电阻下降或电压升高，就可能发生这种情况。这可能表明电路或电源存在问题。

在直流（DC）电路中，低于平均值的电流测量可能意味着电压下降或电路电阻增加。腐蚀或松动的连接、损坏的元件或这三者都可能导致电阻增加。

电路负载使用电流。任何形式的元件，包括小型电子设备（如计算机）、家用电器或大型发动机，都可以是负载。大多数这些部件（负载）都附有铭牌或说明标签。除了大量的参考数字外，这些铭牌还提供安全认证。技术人员读取元件上的铭牌以了解标准的电流和电压水平。使用欧姆定律，可以确定电路的哪个部分出现故障，从而找出问题所在，如果测试期间的标准值在数字万用表或钳形表上未显示出来。

欧姆定律是一条经验性陈述，它根据多项试验进行了概括，这些试验表明，对于大多数材料而言，电流大致与电场成正比。与必然遵循的麦克斯韦方程不同，这组方程的基础性较差。在足够强的电场作用下，任何给定材料都会在分解。然而，一些在电气工程领域中有用的材料在弱电场下是“非欧姆”的。

在许多不同的长度尺度上都观察到了欧姆定律。20世纪初曾预测欧姆定律在原子层面会失效，但研究并未证实这一预测。2012年，科学家们证明了宽度仅为4个原子、高度仅为1个原子的硅线仍然服从欧姆定律。