焦耳定律中電流的二次方有什麼物理意義?

時間 2021-05-06 20:16:46

1樓:開物待成

我講乙個最直觀的理解方式,供樓主參考。但我說的這種方式細推起來可能會有各種問題,就是說這只是有助於理解,但不是很對。

焦耳熱的產生,可以認為是自由電子與導線中原子之類的粒子碰撞(我們可以暫時簡化成原子,並忽略其他非自由電子),而將電子的動能轉化為內能。

在這些前提之下,所謂電流,就是導線的乙個單位截面上,單位時間內流過的電子數量。

可以看出,在被碰撞的原子數量不變的情況下,單位截面上單位時間內穿過的電子數量越大,那麼產生的焦耳熱就越大,這裡是乙個一次方關係。

要計算整個導線截面上穿過的電子數量,就要計算導線的截面積,這個導線截面積就是單位截面積的二次函式。簡化來說:假定導線截面是正方形,每單位截面內產生的焦耳熱為 ,那麼整個導線截面內產生的焦耳熱就是 ,這就是焦耳定律中電流的二次方的由來。

順便地,既然說到了焦耳定律的直觀理解,我們還可以模擬電阻的直觀理解:

所謂電阻,既可以認為就是單位體積內,處決於阻擋電子並與電子發生碰撞的原子的數量,也可以反過來說,就是單位長度內,可以容納電子通過,不與之發生碰撞的空隙的大小。從電阻的計算公式上,似乎選用了後者。可以理解為,電阻率就是導體本身固有的單位體積內的原子數量,電阻率越高,阻擋物越多;導線越長,發生碰撞的可能性就越大,所以電阻變大;橫截面越大,空間越大,穿過越容易,電阻就小。

最後強調一下,這種思路僅作理解用,並非事實。

2樓:

物理意義就是歐姆定律和功率的定義吧。

純電阻電路中,電流密度 正比於導體內的電場強度 ,

(微觀歐姆定律)

上式的比例係數為電導率,是電阻率的導數 .

中學生也許不熟悉電流密度的概念,高中對電流的定義是單位時間通過導體截面的電荷量,高中也學過電流的微觀表示式為 ,其中 是載流子密度, 是載流子電荷, 是導體截面積, 是載流子定向移動速度,而電流密度的定義則是 ,電流密度通量就是電流.

結合電流密度的定義可以匯出電功率密度為 ,又根據微觀歐姆定律,可以得出純電阻電路的電功率密度(熱功率密度) 與電流密度的平方 成正比

(微觀焦耳定律)

進而可以得出我們熟悉的焦耳定律

所以開頭說電流的二次方的物理意義就是歐姆定律和功率的定義。

當然其實直接用高中知識直接推導也行(:

為了讓各位讀者簡單理解微觀歐姆定律,這裡描述乙個簡單但不正確的導電機理。這種簡單但不正確的機理認為,導體中電子在電場中加速運動,但是途中會與導體原子實碰撞損失速度從而產生熱量,由於兩次碰撞的時間間隔很短,因此認為該過程電場強度不變,此處認為定向移動速度就是這個過程中的平均速度

上式中 是兩次碰撞的平均時間,稱為平均自由時間,由上式得出歐姆定律

由於本人的物理水平只有大一的大物水平,所以更加嚴謹的導電機理解釋交給別的大佬回答罷。

3樓:小呵呵

咱也不懂,個人淺見:

焦耳定律是實驗定律這個二次方是焦耳通過實驗測量發現的. 他發現電阻放出的熱量(電阻絲加熱水)與通過電阻的電流強度的平方成正比.

想一下,1焦耳是1安培的電流在1歐姆的電阻中通電1秒放出的全部能量,同時卻也是物體在1N的合力方向上運動1m需要的能量. 乙個力學,乙個電學.這兩件看起來毫不相關的事情為什麼需要的是有零有整的相同的能量.

想明白這件事說不定能幫助你理解.

4樓:

物理意義不知道,但我知道乙個屋裡意義:

冬天如果屋裡感到冷,你就把電爐子電流增加一倍,發熱量會增至4倍,就不冷了。

至於怎麼增加電流,那不關我的事。

5樓:

運用量綱分析法,Q = I R t,代入每個量綱,聯立 kg m s A 的四個方程,解得 x = 2,y = z = 1 。

不過並不是什麼很直觀的解釋,(憑我幾乎忘光了的物理知識)想不出什麼像 「萬有引力和距離負二次方成正比是因為引力場在三維空間中擴散時總通量不變,等勢球面上的面密度與球體表面積成反比 」 一樣直觀的物理意義。

以及張工 @Patrick Zhang 又在答非所問地胡扯各種概念了,題主問的僅僅是焦耳定律,和溫度和散熱有半毛錢關係,和平行導線間作用力有半毛錢關係,和電器國家標準有半毛錢關係…… 知乎上答題能離譜到長篇大論裡和原問題沒有一句話相關的我除此之外只見過一堆從自家平台搬運文章的 bot 。

手動召喚 @盧健龍 求個靠譜答案 x

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