我最近开始研究电子学。
我学到的关于电的最基本的陈述之一是导体上的电压和电流之间的关系。我做了一些实验,发现它并不总是 100% 准确,尽管使用电阻器非常精确。
一些组件,如 LED、晶体管和二极管,没有这种线性关系。
当我开始学习电子学时,我以为我可以用数学方法预测每个电路中会发生什么,但有些组件无法准确预测。
我在网上找到了一些图表,我开始怀疑这样的事情是否纯粹是经验性的。
我最近开始研究电子学。
我学到的关于电的最基本的陈述之一是导体上的电压和电流之间的关系。我做了一些实验,发现它并不总是 100% 准确,尽管使用电阻器非常精确。
一些组件,如 LED、晶体管和二极管,没有这种线性关系。
当我开始学习电子学时,我以为我可以用数学方法预测每个电路中会发生什么,但有些组件无法准确预测。
我在网上找到了一些图表,我开始怀疑这样的事情是否纯粹是经验性的。
是的,你应该认真对待欧姆定律。
但是,您确实需要记住,它仅适用于简单的电阻器和导体。
欧姆定律是一些复杂数学的简化。它仅适用于线性电阻电路。如果你留在那个区域,那么欧姆定律会给你正确的结果。
您提到的其他元件(LED、晶体管、二极管)不是线性电阻元件。这些部件在电流和电压之间具有非常不同的关系。
对于二极管,可以参考肖克利二极管方程,了解电流与电压的关系。它也适用于作为发光二极管的 LED。
欧姆定律给出的简化通常是您所需要的。
以 LED 为例。一个典型的任务是计算串联电阻的值,以便在给定电压下安全地操作 LED。
如果您只是将 LED 连接到电压源,则会损坏 LED。
然后,您要做的是查找 LED 的最大安全工作电流及其标称正向电压(均在 LED 数据表中给出),然后使用欧姆定律计算最小电阻。
假设您想使用 5V 电源操作蓝色 LED。您查看 LED 的数据表,发现它可以承受最大 20mA 的电流,并且标称正向电压为 3.3V。
也就是说,当给定 20 mA 电流时,LED 上会出现大约 3.3V 的电压。
3.3V和5V的差是1.7V。在 20 mA 时,欧姆定律表明您需要一个与 LED 串联的 85 欧姆电阻。
这不会完全正确,但足够接近。然后您通常会发现您需要一个更大值的电阻器,因为现代 LED 的最大 20mA非常亮。
如果您实际测量 LED 两端的电压或通过它的电流,那么您会发现计算值存在差异。不过,电阻器上的电压降将遵守欧姆定律。
请记住,在学习几乎任何主题时,您在开始时学到的很多东西都会被简化。
如果你开始学习电子学,而你的导师指给你麦克斯韦方程组,并告诉你计算给定电压下通过电阻器的电流,你可能会悄悄地离开教室,再也不会回来。
欧姆定律本身是经验性的,仅适用于纯电阻电路。不存在纯电阻电路 - 每个导体和每个电路都具有电感和电容效应,并且在某种程度上取决于温度。
学习欧姆定律,使用它。它在许多常见条件下使用许多常见材料提供了可用的结果。请记住,这并不涵盖所有条件或材料。
您陈述的最大问题是您似乎还没有理解欧姆定律的实际含义。我并不是说这是你的错(也许这取决于它是如何教给你的)。
欧姆定律的基本形式相当简单且非常普遍:
它指出“导体”上的电压和同一“导体”中的电流成正比。
问题在于它仅适用于特定类别的导体,即所谓的欧姆导体,它们是特定类型的导体(例如纯金属或金属合金)。
它不那么容易(或根本不)适用于由半导体制成的组件,尤其是掺杂的组件,例如二极管或其他材料(例如气体)。
有关更多详细信息,请参阅相关的维基百科页面。
就基本元件而言,唯一“完全”遵循欧姆定律的是电阻器。我说“完全正确”是因为您必须忽略温度升高和电气限制。例如:如果您在 1ohm 电阻器上施加 1V 电压并获得 1A 电流,则不应期望同一个电阻器能够承受 10kV 电压产生 10kA,除非该电阻器非常大(例如高压电缆)。
如果您喜欢冒险,您可以通过阅读来自某些制造商的电阻器数据表来探索真正的电阻器的实际行为以及它在多大程度上是“线性的”(另一种说法是它遵循欧姆定律),例如这个。
所谓的“电阻电压系数”(VCR)告诉您在增加电压时遵循欧姆定律的非线性程度。
1825 年,一个名叫 Georg Ohm 的人开始进行经验测试,以找出电路中存在哪些规律。测试很困难,因为没有正确理解电的概念以及实际材料是什么。想想在一个现象没有建立适当衡量标准的时代进行测量,只有不同的模糊和可能相互矛盾的想法。此外,受人尊敬的哲学家说,不需要也不应该相信实验,因为只有经过推理的事实才是事实。
欧姆定律是一个经验发现。它将电量、电流强度(见注 1)、金属导体的尺寸和金属的材料特性(因金属而异)结合在一起。今天,这种材料特性称为电阻率。
欧姆定律今天可以从电磁场理论和材料的原子和分子结构中推导出来,并且可以用这些理论来预测它的有效范围。电阻器是特制的,因此欧姆定律在实际应用中是足够好的模型。由单一均质合金制成的金属线也服从它。半导体接头,例如许多气体和液体并不像您通过 LED 测量所发现的那样遵守它。
我建议你在听课时双耳张开。一位称职的老师肯定也会说出他的公式的有效性范围。
注 1:如前所述,电的概念既不是名称,也不是应该如何测量的。
当我开始学习电子学时,我以为我可以用数学方法预测每个电路中会发生什么,但有些组件无法准确预测。
有句老话,所有模型都是错误的,但有些模型是有用的。
我们结合我们对基础物理的理解和我们的经验观察来建立组件的数学模型。我们简化了这些模型,以便我们可以使用它们来设计电路。
然后我们构建电路并测试它们的行为是否符合我们的预期,或者我们是否忽略了一些实际上很重要的东西。有些人在设计和物理测试之间使用模拟。
以二极管为例:
我们可能使用的最简单的模型是在一个方向上充当短路而在另一个方向上充当开路的组件。
下一步(以及许多介绍性电子课程中使用的模型)是在正向分配一个固定的电压降。
下一步是肖克利二极管方程,\$I=I_\mathrm{S} \left( e^\frac{V_\text{D}}{n V_\text{T}} - 1 \right) \$
除此之外,接下来的步骤将取决于我们试图建模的内容,因为高频应用的结电容(随直流偏置电压而变化)可能很重要。对于大电流应用,串联电阻可能很重要。