作者:电控工程手札

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目录

  • 1. 定义
  • 2. 电导
  • 3. 电阻率
  • 4. 电导率
  • 5. 伏安特性
  • 6. 开路与短路
  • 7. 功率
  • 8. 应用

元件特性(端子特性):元件的两个端子的电路物理量之间的代数函数关系。

电路物理量有电压u、电流i、电荷q以及磁通φ或磁链(ψ)等。

  • 电阻元件的元件特性是电压与电流的代数关系u=f(i);
  • 电容元件的元件特性是电荷q与电压的代数关系q=f(u);
  • 电感元件的元件特性是磁链ψ与电流i的代数关系ψ=f(i)。

1. 定义

(1)定义
电阻的大小可通过欧姆定律定义:当导体两端存在电压时,导体中会产生电流,电阻等于导体两端的电压与通过导体的电流的比值,即定义式
R=UIR=\frac{U}{I}R=IU

电阻是导体本身的固有属性,其大小取决于导体的材料、长度、横截面积以及温度,其决定式见下面电导率。

(2)符号
线性电阻元件的图形符号如图所示

(3)单位
R是一个正常实数。当电压单位用V,电流单位用A时,电阻的单位为Ω欧姆,简称)。

(4)物理意义
电阻描述的是材料对电流阻碍作用的大小。

2. 电导

令G = 1/R,则
i=Gui=Gui=Gu
式中,G称为电阻元件的电导。电导的单位是S(西门子,简称西)。
R和G都是电阻元件的参数。

3. 电阻率

(1)定义
电阻率(又称电阻系数)定义为:在均匀材料中,单位长度,单位横截面积的导体在恒定温度下的电阻值。定义式为:
ρ=RAlρ=R\frac{A}{l}ρ=RlA
式中,R是电阻的电阻(Ω),A是导体的横截面积(m2),l是导体的长度。

电阻的决定式
R=ρlAR=ρ\frac{l}{A}R=ρAl

  • 电阻与导体长度 l 成正比(越长电阻越大)
  • 电阻 R 与横截面积 A 成反比(越粗电阻越小)
  • 电阻率越大,材料导电性越差

(2)单位
电阻率的单位为欧姆·米(Ω·m)

(3)物理意义
电阻率描述的是材料阻碍电流流动能力的固有物理性质。它反映的是材料本身的导电特性,与材料的形状和尺寸无关。

(4)影响因素
温度、材料成分、机械应力

4. 电导率

电阻率是电阻率的倒数,表示材料的导电能力,定义式为
σ=1ρσ=\frac{1}{ρ}σ=ρ1

单位是西门子/米(S/m)

电导率越高,材料导电性越好。

5. 伏安特性

由于电压和电流的单位是伏和安,因此电阻元件的特性称为伏安特性
下图为线性电阻元件的伏安特性曲线:它是通过原点的一条线。直线的斜率与原件的电阻R有关。

由于制作的材料的电阻率与温度有关,实际电阻器通过电流后因发热会使稳定改变,因此,严格说,电阻器带有非线性因素。但是在正常工作条件下,温度变化有限,许多实际部件如金属膜电阻器、线绕电阻器等,它们的伏安特性曲线近似为一条直线。

6. 开路与短路

(1)开路
当一个线性电阻元件的端电压无论为何值时,流过它的电流恒为零值,就把它称为“开路”。如果电路中的一对端子1-1’之间呈断开状态,这相当于1-1’之间接有 R = ∞ 的电阻,此时称1-1’处于“开路”。
开路的伏安特性曲线在 u - i 平面上与电压轴重合,它相当于 R = ∞ 或 G = 0,如下图所示:

(2)短路
当一个线性电阻元件的电流无论为何值时,它的端电压恒为零值,就把它称为“短路”。如果电路中的一对端子1-1’之间用理想导线连接起来,这相当于1-1’之间接有 R = 0 的电阻,此时称1-1’处于“短路”。
短路的伏安特性曲线在 u - i 平面上与电流轴重合,它相当于 R =0 或 G = ∞,如下图所示:

7. 功率

电阻元件消耗的功率为
P=UI=RI2=U2R=GU2=I2G\begin{aligned} P &=UI=RI^2=\frac{U^2}{R}\\ &=GU^2=\frac{I^2}{G} \end{aligned} P=UI=RI2=RU2=GU2=GI2

电阻元件从t0到t的时间内吸收的电能为
W=∫t0tRI2(t)dtW=\int_{t_0}^t RI^2(t)dtW=t0tRI2(t)dt

电阻元件一般把吸收的电能转换成热能和其他能量。

8. 应用

电阻是电子电路中最基础的无源元件之一,其核心功能是阻碍电流流动,但通过合理设计,可以实现多种关键作用

(1)电路基础功能

  • 限流保护:防止过电流损坏元件
  • 分压电路:将电压按比例分配,用于信号调节或参考电压生成
  • 上拉/下拉电阻:确保数字信号稳定,避免悬空(高阻态)导致的误触发

(2)信号处理与传感器

  • 阻抗匹配:减少信号反射,提高传输效率(高频或长线传输)
  • 滤波电路:与电容/电感组合,滤除特定频率噪声
  • 传感器信号调理:将物理量变化转换为电阻变化,再通过电路读取

(3)电源与能量管理

  • 电力检测:通过测量电阻两端压降计算电流(欧姆定律)
  • 电源稳压与缓冲:调节电压或吸收浪涌能量

(4)数字与逻辑电路

  • 逻辑电平转换:匹配不同电压器件间的信号电平
  • 脉冲与定时控制:与电容组成RC定时电路


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