在看到电阻之前,电流如何知道要流动多少?

电器工程 当前的 基尔霍夫定律
2022-01-25 22:07:02

以以下电路为例:

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

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

电流I如何知道要流动多少?任何其他波会先在电路中传播,然后再回来说应该有这么多的电流流动吗?

4个回答

不确定这是否是您要问的,但是是的,当连接电池时,电场波会从电池沿着电线传输到负载。一部分电能被负载吸收(取决于欧姆定律),其余部分被负载反射并返回电池,一部分被电池吸收(再次符合欧姆定律),一部分被电池反射,等等。最终,所有反弹的组合达到您期望的稳定稳态值。

我们通常不会这样想,因为在大多数电路中它发生得太快而无法测量。然而,对于长输电线路,它是可测量的并且很重要。不,在波到达它之前,电流不“知道”负载是什么。在那之前,它只知道电线本身的特性阻抗或“浪涌阻抗”。它还不知道另一端是短路还是开路或介于两者之间的一些阻抗。只有当反射波返回时,它才能“知道”另一端是什么。

请参阅高速逻辑系统中的电路反射示例和传输线效应,以获取晶格图示例和电压如何随时间逐步变化的图表。有关您可以修改的不同终端的动画模拟,请参阅传输线的终端,是一个电灯开关示例。

如果你不明白,在你的第一个电路中,电路中每个点的电流都是相等的。电路就像一个循环管道,都充满了水。如果用泵使水在某一点流动,则回路中每隔一个点的水必须以相同的速率流动。

我所说的电场波类似于穿过管道中的水的压力/声波。当您在管道中的某一点移动水时,管道另一端的水不会立即改变;干扰必须以声速在水中传播,直到到达另一端。

既然已经涵盖了理论,我将进行一个粗略的类比(希望我能正确理解你在问什么,这不是很清楚)

无论如何,如果你想象一个泵(电池),一些充满水的管道(电线),以及管道变窄的部分(电阻器)
水总是在那里,但是当你启动泵时它会产生压力(电压) 并使水在电路周围流动(电流)。管道(电阻器)的变窄将流量(电流)限制在一定量并导致其两端的压降(电阻器两端的电压,在这种情况下等于电池)

对于第二个电路(两个电阻并联),很明显,流入顶部结的相同数量的电流必须从底部结流出(参见 Kirchoff)如果电阻相同,那么它们将共享电流相等。这可以看作是一根大管(电线)分裂成两个更窄的管(电阻器),然后再次融合成一根大管。如果它们不相等,那么一个将比另一个占用更多的流量(电流),但总输出将始终加起来总输入。

你可以用水的比喻来问同样的问题——水是如何“知道”多少流量的?因为它受到管道宽度和泵压力的限制。

编辑 - 似乎被问到的问题与我最初设想的有点不同。问题是在不同的抽象层次上有几个不同的答案(如你所见),例如从欧姆定律到麦克斯韦再到量子物理学。在单个电子水平上,我认为由于 Majenko 提到的粒子波二元性和双路径(参见光子双缝实验),您可能会遇到问题。
请注意,我在上面所说的“水总是在那里”的原因是因为电子本身不会以大约 2/3 的光速绕电路流动,而是来自一个电路的能量传播到下一个电路(有点)等等。有点像球随机弹跳并相互弹跳,总体平均趋势是在施加的电位方向上弹跳。一种更简单的思考方式就像一排斯诺克球——如果你把白球打到一端,能量将通过所有球“传递”(虽然它们实际上不会改变位置),然后球在另一端会脱离。
我有一种感觉,量子解释可能是这样的:我们只能预测概率单个电子将“选择”一条路径(或在一个特定区域),但该过程无法直接观察到(即理论物理学)

无论哪种方式,我认为这是一个很好的问题,需要一个很好的答案(如果时间允许,将尝试改进这个问题),尽管在物理堆栈上可能会更好地处理最低级别。

起初,电流并不真正知道。假设线路中有一个大的卡通开关,当打开时,它代表一个巨大的阻抗。(电容)电荷在其两侧积聚;具体来说,电子挤在负极端,正极端缺乏与正常(图像电荷)相同数量的电子。电流可以忽略不计 (fA*),因此电阻器上没有电位降。电子没有净运动或流动,因为与其邻居(包括开关处的大束)的静电排斥等于来自外部电场偏置的力。

当开关第一次闭合时,开关附近的额外电子会压缩到另一个触点,填充图像电荷。既然没有一大群欺负电子拒绝移动和推回,其余的就会弹道(哈!实际上不是并开始在电路中快速移动。

电阻器内部和附近的那些会遇到……电阻(来吧;我不得不)自由电子或位点几乎没有那么多,因此,与开关之前呈现的非常大的阻抗不同,当不耐烦的虫子争先恐后地争夺一个点时,电荷会在两端积聚。它继续建立直到达到平衡:来自等待通过电阻器的电子束的静电场等于外部电场偏置。

在这一点上,电流知道要流多少,并且不会改变[直到你意识到你放入了一个 1.3 欧姆的电阻器而不是 1.3 欧姆的电阻器,它再次炸开并再次开路]。

如果一开始将源完全从系统中移除,则不会有初始电容电荷。与源(DPST 开关)的瞬时连接将导致电场沿c附近的导线传播,从而加速和拖动电子,并导致相同的离开足球场的电阻器拥挤。然而,在并联电阻的情况下,所述体育场的门可能具有不同的宽度,因此平衡电流将不同。

河流三角洲的水流如何“知道”走哪条支流?每种情况下的“电流”都是指水分子或电子的总流动,所以首先,将问题替换为“每个电子(或分子)如何知道该走哪条路”?它没有;它只会在直接的局部流动中被扫过,并且在微观或原子水平上,将取代它前面即将离开的流动。那么,在分歧点发生了什么?在我们的宏观眼中,它所采用的方向是随机的,分布为分支电流的比率。在最低级别,一些微小的干扰会以一种或另一种方式推动它。

(非常粗略的描述/类比,我知道——请原谅隐含的不准确之处。)