題:
在看到電阻之前,電流如何知道有多少流量?
Prabhanjan Naib
2011-09-20 23:15:07 UTC
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以以下電路為例:

http://knol.google.com/k/-/-/1f4zs8p9zgq0e/lxzei8/ohm-1.jpg

http://hades.mech.northwestern.edu/images/4/45/Parallel_resistors.gif

當前知道有多少電流?是否還有其他波會先在電路中傳播然後又返回並說應該有那麼多電流通過?

我在班上問了這個問題,我會把你標記為試圖超越給他的抽像水平的學生。好問題。
如今,隨著所有物理知識的出現,高中時代抽象層使更多的孩子無法接觸電子設備。:(
如果有人在課堂上問這個問題,那麼簡短的答案就是“麥克斯韋定律”。訣竅在於從物理實現轉變為麥克斯韋定律,這是一項艱鉅的工作,但應始終堅持準確。在大學裡,除非您參加電磁學課程,否則類似的事情將變得毫無意義。
為什麼懸賞這個問題? Endolith完美回答了!
高速公路上的汽車如何“知道”事故發生前幾英里,以每小時20英里的速度爬行?
-1
十二 答案:
endolith
2011-09-21 00:02:58 UTC
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不確定這是否是您要的,但是,是的,當連接電池時,電場波從電池沿著導線傳播到負載。一部分電能被負載吸收(取決於歐姆定律),其餘的一部分從負載中反射回來並傳播回電池,一部分電能被電池吸收(再次為歐姆定律),有些則從電池中反射出來,最終,所有反彈的總和都達到了您期望的穩定穩態值。

我們通常不會這樣考慮,因為在大多數電路中,它發生得太快了,無法測量。但是,對於長傳輸線,它是可測量且重要的。不,直到波浪到達負載,電流才“知道”負載。在此之前,它只知道導線本身的特性阻抗或“電湧阻抗”​​。尚不知道另一端是短路還是斷路,或兩者之間是否有阻抗。只有當反射波返回時,它才能“知道”另一端的情況。

請參見電路反射示例高速邏輯系統中的傳輸線效應舉例說明晶格圖和電壓隨時間逐步變化的圖。

如果您不了解它,則在第一個電路中,電流在每個點都相等電路。迴路就像一條管道,全部注滿水。如果用泵使水在某一點流動,則迴路中每隔一點的水必須以相同的速度流動。

我所說的電場波類似於通過管道中的水傳播的壓力/聲波。當您在管道中的一點移動水時,管道另一端的水不會立即變化;擾動必須以聲速在水中傳播,直到到達另一端為止。

-1,如果可以的話,對於涉及“反彈波”的非常差的解釋。 (以類推)更好的解釋是[this](http://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_analogy#Component_equivalents)或[this](http://www.blueraja.com/blog/185/how-快速在電路中移動電子)。
-1
是的,我正在尋找這樣的解釋
作為一個小的附錄。繪製原理圖時,您嘗試包括任何會影響信號的組件,並且所有電線都被認為是無傳輸時間的理想電線。如果要在電池和負載之間保持可測量的距離,則可以在原理圖中添加一條傳輸線。您還需要一個發電機電阻。我並不是說原理圖總是包含所有內容,只是當您收到原理圖並進行討論時,您可以假定原理圖確實存在,並且憑經驗學習人們會忘記的事情。一般而言,我認為它們非常接近。
@BlueRaja-DannyPflughoeft,添加帶有您想要添加的隱喻的註釋,endolith可能會添加它們。添加一條註釋,指出答案因您缺乏收藏夾而被否決,並且收效甚微。 Endolith可能沒有聽過您最喜歡的類比,沒有理由不能繼續分享。
只是想知道:“電場波”在金屬線中傳播的速度是多少?是光速,慢一點還是慢得多?
@heltonbiker:它隨幾何形狀等變化,但可能是2/3 c。 http://en.wikipedia.org/wiki/Wave_propagation_speed
@heltonbiker,主要由使用的電介質決定,它與未屏蔽線對的光速接近。幾乎是同軸電纜光速的2 / 3s。
這是一個多麼漂亮的答案,但實際上我驚訝於其他人混淆或誤解了這個問題。對我來說,它立即成為輸電線路上的一個問題。同樣,麥克斯韋方程是解釋它們的工具,而不是現象。+1絕對是El.SE上最好的答案之一
有趣。如果電阻確實是由於電場的反射引起的,是否可以通過在相反的相位上反射電場來創建“負電阻器”?像光學菲涅耳透鏡一樣?
@Michael我認為電阻“歸因於”電場反射是不正確的。阻抗變化是電場反射的“原因”。如果線路的末端開路,則會以相同的電壓相位反射。如果末端短路,則以相反的電壓相位反射。如果末端與線路的阻抗相同,則沒有反射。https://zh.wikipedia.org/wiki/Reflections_of_signals_on_conducting_lines
@endolith那麼這是否意味著電子可以“存儲”信息?也就是說,一旦來自電池的波(具有一定的信息)行進到負載並被反射回去(具有關於負載,負載類型等的另一組信息),則是具有“信息”的反射波被某種方式吸收電子?此外,電波會傳播到電池的負極端子還是僅傳播到負載?
@noorav我不知道您所說的“電子吸收信息”是什麼意思,但是您指的是電池的負極端子這一事實使我認為您不了解電場波的工作原理。它從電池的*兩個*端子開始,向下*兩個*線到達負載,然後再返回*兩個*線。在電路中,電荷沿著電線向下循環,而能量則通過空氣從電池流向負載,並且沒有循環。
啊好吧。所謂吸收,是指電子會“吸收”其接收到的信息嗎?就像任何存儲信息的存儲元素一樣。電子是否從反射波中吸收信息,對其進行存儲,處理然後進行分析,以查看電路中應流過多少電流?
@noorav我什至不知道那意味著什麼。:/電子將如何存儲信息?
引述您的答案:“到那時為止,它只知道導線本身的[特性阻抗] [2]或“電湧阻抗”。它尚不知道另一端是短路還是斷路或它們之間有一些阻抗。只有當反射波返回時,它才能“知道”另一端的情況。”因此,當您將“知道”一詞用於電子時,“知道”另一端是什麼,這不就是反射波帶回來的“另一端是什麼”的某種信息嗎?這就是我所說的“信息”。不好意思,如果我做得不好。
@noorav當然,我在擬人化,粒子和波實際上什麼都不知道。我指的是電流,而不是單個電子。各個電子在隨機反彈時僅“知道”其周圍環境。電路中的行為是由於許多隨機電子運動組合成電流。電流根據電線的局部特性流動,並且在到達另一端之前無法“知道”另一端的電流。
@noorav就像是將一桶水倒入水槽或水槽,另一端可能會堵塞也可能不會堵塞。水浪直到到達水浪時才“知道”另一端的情況。
Oli Glaser
2011-09-21 00:51:31 UTC
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既然已經涵蓋了理論,那麼我將進行一個粗略的類比(希望我能理解您的要求,但並不清楚)

無論如何,如果您想到了泵(電池),一些裝滿水的管道(電線)以及管道變窄的部分(電阻器)
水總是存在的,但是當您啟動泵時,它會產生壓力(電壓)並使水在電路周圍流動(電流)。管道(電阻器)變窄將流量(電流)限制在一定量,並導致其兩端的壓降(電阻器兩端的電壓,在這種情況下等於電池)

在第二個迴路中(兩個可以清楚地看出,流入頂部結的電流必須從底部結流出(請參見Kirchoff)(如果電阻相同),則它們將平均分配電流。這可能是因為一根大管子(電線)分成兩根較細的管子(電阻器),然後又重新熔合成一根大管子。如果它們不相等,那麼一個將比另一個消耗更多的流量(電流),但總流出量將始終等於總流入量。

您可以用類比水問同樣的問題-怎麼做水“知道”有多少流量?因為它受到管道寬度和泵壓力的限制。

編輯-似乎要問的問題與我最初設想的有點不同。問題是在不同的抽象級別上有幾個不同的答案(如您所見),例如從歐姆定律到麥克斯韋再到量子物理學。在單個電子水平上,我認為您可能會遇到Majenko提到的粒子波對偶和雙路徑(請參閱光子的雙縫實驗)。
請注意,我上面說“水總是存在”的原因是因為電子本身的流動速度不是繞電路的光速的約2/3,而是來自一個電子的能量傳播到下一電子(某種)等等。有點像球隨機地彈跳,並彼此彈跳,總體上總體趨勢是在施加電勢的方向上彈跳。一種簡單的思考方式就像一排斯諾克球-如果將白球撞到一端,能量將“傳遞”到所有球上(儘管它們實際上不會改變位置),然後以我感覺到量子解釋可能是這樣的:我們只能預測單個電子將“選擇”一條路徑(或處於一條路徑)的概率

無論哪種方式,我都認為這是一個很好的問題,需要一個很好的答案(如果時間允許,將嘗試對此進行改進),儘管最低的水平可能會更好地在物理堆棧上處理。

tyblu
2011-09-23 09:57:54 UTC
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起初,目前尚不清楚。假設線路中有一個大的卡通開關,當斷開時,它表示一個巨大的阻抗。 (電容性)電荷會在其兩側累積;具體來說,電子擁擠在負極端子上,而正極端子缺少與正常電子相同數量的電子(圖像電荷)。電流可以忽略不計(fA *),因此電阻兩端沒有電位降。電子沒有淨運動或電子流動,因為與它們的鄰居(包括開關處的大束)的靜電排斥力等於來自外部電場偏置的力。

當開關第一次閉合時,開關附近的多餘電子會拉到另一個觸點,從而填充圖像電荷。現在,沒有一大堆欺負電子拒絕移動並向後推,其餘的則變成彈道 (哈哈!實際上不是,但是) sub> sup>並開始在電路中滑動。

電阻器內部和附近的電阻都滿足...電阻(來吧,我必須這樣做)。幾乎沒有那麼多的自由電子或自由電子,因此,與開關之前呈現的非常大的阻抗不同,電荷在兩端都積聚,因為急躁的電擊手爭先恐後地爭先恐後。它持續建立直到達到平衡:等待通過電阻器的電子束中的靜電場等於外部電場偏置。

在這一點上,電流知道有多少流量,並且不會改變[直到您意識到您放了1.3歐姆的電阻而不是1.3歐姆的電阻,然後又炸了又開路]。

如果首先將電源從系統中完全移除,則不會出現初始電容性電荷。與源(DPST開關)的瞬時連接將導致電場沿 c 附近的導線傳播,加速和拖動電子,並導致相同的離開體育場型擠在電阻上。但是,在使用並聯電阻器的情況下,所述體育場的門可能具有不同的寬度,因此平衡電流會有所不同。

照片投票?它是我的!
Majenko
2011-09-20 23:36:06 UTC
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“知道”多少流動意味著知識,這意味著智力。

電流不是智能的,本身也不流動。電流由負載拉出或“汲取”-在這種情況下為電阻。

負載汲取的電流量由歐姆定律確定:

\ $ I = \ dfrac {V} {R} \ $

在第一個電路中,它很容易計算。

第二個電路則稍微複雜一些。只要可以計算總阻力,計算\ $ I_S \ $就很簡單:

\ $ \ dfrac {1} {R_T} = \ dfrac {1} {R_1} + \ dfrac { 1} {R_2} \ $

\ $ R_T = \ dfrac {R_1 \ times R_2} {R_1 + R_2} \ $

然後,通過兩個電阻的比值確定流過每個電阻的電流的比值。如果電阻相同,那麼恰好一半的電流將流經每個電阻。如果\ $ R_1 \ $是\ $ R_2 \ $的兩倍,那麼三分之一的電流將流過\ $ R_1 \ $,三分之二的電流流經\ $ R_2 \ $(請注意,當前比率與阻力相反比)。

我認為將源定義為推動電流,然後將負載定義為繪製電流更合適。源向系統供電。電場相對於負載“抵抗”電流的量來移動電流,但是電場是電流的來源。沒有負載,只有電流,仍然會有電場。發生短路時,負載將短路,電流將變得非常大。
您正在解釋如何使用歐姆定律來查找電流,但您並未解決OP的問題。
那不是OP問的嗎?這個問題幾乎是不可能的。比起暴風雪中的雪人更模糊。
他想知道電流如何知道如何分成兩條路徑。在原理圖上,我們可以看到接下來的內容並進行計算(您正確地進行了計算),但是當電子到達一個節點時,它是不知道的,因此他的問題是“它如何知道要走的路?”。我認為他非常了解Ohm,這有點哲理。
...或量子...
實際上,電子會同時沿兩個分支下降,只有當我們對其進行測量時,我們才會折疊波形並確定在兩個分支中的哪個分支上可以看到它。 (薛定ding)
@Majenko-在這種情況下實際上不適用,因為我們關注的是電流(電流)的宏觀現象,而不是任何特定電子的位置,而是關注力的A + ;-)
舉例來說,電阻與源之間的距離為1英尺,即1納秒。如果在時間t = 0時+端子上的開關閉合,則接下來2納秒的+端子上的R的哪個值合適?為什麼?正是這種延遲是“它怎麼知道?”的核心。它與智力無關。
JRobert
2011-09-23 01:21:30 UTC
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河三角洲的水流如何“知道”要採取的分支?在每種情況下,“電流”是指水分子或電子的總流動,因此,首先用“每個電子(或分子)如何知道去向”來代替問題?沒有它只會在立即的局部流動中被掠過,並且在微觀或原子的水平上將取代在它前面的離去的那個。那麼,在分叉點發生了什麼呢?在我們的宏觀眼中,它採取的方向是隨機的,以支路電流的比率分佈。

(在最粗糙的描述/類比下,我知道-請原諒所隱含的不准確之處。)

hkBattousai
2011-09-22 22:46:57 UTC
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實際上,電流不知道在t = 0時有多少電流。

每個電阻器都具有一定的電容,因為它們由被絕緣體隔開的導電側組成(即使不是完美的) 。由於該電容,在t = 0時,電流湧入量與電源可以提供的電流一樣多。然後,它會在一段時間後減速至正常值。每個實用的電阻器都可以建模為並聯的電阻器和電容器。因此,您的第一個電路實際上是並聯的R-C電路。


此外,請不要忘記E場(電場)會產生B場(磁場),反之亦然。在電阻上施加電壓時,您要做的就是在電阻內部產生電場。這會導致電場狀態發生變化(將電場從零增加到非零值)。電場的變化會產生磁場,最終會產生電流。

有關更多信息,請參閱麥克斯韋方程組

AFAIK,是電場使電子流動,而不是磁場(或者至少磁場不是更重要的)。
我要指出的是,所有電路都有電感,也有很小的電感。這會在電容允許的範圍內停止瞬時電流。這兩種品質的比率有時稱為波阻抗,它決定了最初會流過多少電流。
user924
2012-05-27 19:44:29 UTC
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電流如何知道?它知道是由於統計力學(玻爾茲曼,後來費米-狄拉克,後來是麥克斯韋),當電子像理想氣體粒子一樣自由飛行時,特定溫度下的費米子(電子)傾向於佔據導體(金屬)的體積反對原子。單個粒子的速度(能量)大約為每秒1K英里(小於光速),漂移速度為每秒幾毫米(請參閱Wiki“漂移速度”)。電子的平均自由飛行距離定義為“電導率”。對於電子流的觀察者來說,當導體的每個局部包含大約相等數量的電子和質子時,電子的行為將看起來像粒子保持“電中性”的趨勢。電子帶電,因此它們相互施加排斥力。力,速度和質量隨時間的變化意味著在電子加速和減速過程中會發射和吸收虛擬光子。該光子比粒子傳播快得多,並產生“壓力”。總體而言,取決於材料,壓力牆的速度接近光速。可以將其命名為“ wave”。故事的其餘部分可以通過上面的Endolith更好地解釋。

在室溫下,銅的數量可以在本文中看到。

TLDR:理想統計力學->玻爾茲曼->費米-狄拉克->麥克斯韋->歐姆的電子氣

Giancarlo Sportelli
2014-09-05 03:58:31 UTC
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沒有人提到所有原理圖都採用所謂的集總元素模型的事實。

在原理圖中,導線不是一般意義上的導線,它是一種簡化節點之間的關係。如果您想一步一步地描述沿著電線的電流(或其“感覺”)發生了什麼,則必須繪製一系列無源元素。

zzz
2013-01-27 10:13:58 UTC
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最好的類比可以幫助我真正快速而輕鬆地理解它,我在互聯網上見過面,但目前無法指出來源。如果有人知道它在哪裡,請告訴我,因此可以包括在內。類比非常簡短,這將是簡短的答案。沒有任何公式。因此,這是一種非科學的方法,但卻是優雅的類比,並且真的很容易讓人想像和理解。與水。部分原因是因為多產的水流比喻。

實際上,它更像是裝滿實心球的保齡球管。那個管子從頭到尾都排成一直線,它們之間沒有間隙。當您將球推入一端時,所有球都行進相同的距離

此運動是電子的電流,移動球所需的力是施加的電壓。

其他困惑的來源是“最小阻力路徑”一詞。有人可以想像一個十字路口上的人選擇了3種可能的方法之一。當某人採取某種方式時,所有人都會走那條路,而這正是當前不流的方式。取而代之的是,電流將“分裂”並在所有可能的方向上流動,但以這些方式與電阻成比例。有時電阻是如此之高,以至於電流量如此之小,以至於簡化時被忽略是有益的。

Olin Lathrop
2011-09-20 23:41:56 UTC
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您的問題有點混亂,我不知道波浪與這有什麼關係。但是,基本歐姆定律在您的示例中很容易解釋。兩個電阻兩端都具有電壓 \ $ V_S \ $ span>。這意味著通過它們的電流將是 \ $ \ frac {V_S} {R} \ $ span>。具體來說

\ $ I_1 = \ dfrac {V_S} {R_1} \ $ span>

\ $ I_2 = \ dfrac {V_S} {R_2} \ $ span>

\ $ I_S \ $ span>僅僅是通過電阻的兩個電流之和:

\ $ I_S = I_1 + I_2 \ $ span>

通過考慮 \ $ I_S \ $ span> > \ $ R_1 \ $ span>和 \ $ R_2 \ $ span>並行。

通常: \ $ R_1 || R_2 || ... R_n = \ dfrac {1} {(\ dfrac {1} {R_1} + \ dfrac {1} {R_2} + ... \ dfrac {1} {R_n})} \ $ span>

\ $ R_1 || R_2 = \ dfrac {1} {\ dfrac {1} {R_1} + \ dfrac {1} {R_2}} = \ dfrac {R_1 \ times R_2} {R_1 + R_2} \ $ span>

再次使用歐姆定律,直接計算出Is:

\ $ I_S = \ dfrac {V_S} { R_1 || R_2} = V_S \ times \ dfrac {R_1 + R_2} {R_1 \ times R_2} \ $ span>

請注意,這與上面計算電流的答案相同通過每個電阻並將它們相加以獲得 \ $ I_S \ $ span>:

\ $ I_S = I_1 + I_2 \ $ span>

\ $ I_S = \ dfrac {V_S} {R_1} + \ dfrac {V_S} {R_2} = V_S \ times \ dfrac {1} {R_1} + \ dfrac {1} {R_2} = V_S \ times \ dfrac {R_1 + R_2} {R_1 \ times R_2} = V_S \ times(R_1 || R_2)\ $

與我對Matt的回答相同:據我所知,他在問電子如何到達節點時知道該走哪條路,因為它們不知道前方會遇到什麼阻力。我們可以看到它,因為我們有原理圖,但是如果您沿著一條分開的路徑,您將無法當場說出剩下的電流和右邊的電流。但是,儘管我們有時間與Ohm和Kirchhoff一起玩,但電子並不能止步於此。我贊成這個問題。
在講諸如“亂碼”之類的單詞和諸如“波有任何關係……”之類的句子之前,最好先精通基礎知識,並了解電路的瞬態和穩態。
William
2014-08-28 07:52:51 UTC
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實際上,在達到穩定狀態之前,波浪與它有很大關係。最初,即使是由電池,開關,電線和電阻器組成的最簡單的電路,也是被電磁波包圍的傳輸線,需要進行瞬態分析才能理解。如果我理解這個問題,此瞬態分析將回答此博客中的最​​初問題。即使電池很複雜,而且直到達到穩定狀態為止,最初都需要由maxwells eqn決定的分析等等。在過去的幾年中,DC101最初是使用管道等中的水的類比進行教授的。還繪製了電感和電容的類比。如果您有5分鐘的時間向他們講授DC,這是幫助某人了解DC的好方法,而歐姆定律則是您帶給學生的最大努力。

dscharge
2014-12-05 16:21:02 UTC
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這就像一條充滿汽車的高速公路,其中高速公路是導體,汽車是電子。如果前方有道路工程將高速公路從三車道限製到一車道,則所有車道都會減慢速度,而後20英里處的汽車也將無法在三車道路段上更快行駛,因為前面的汽車不允許它們進入。



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