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  • 1 # 使用者465352130358

    這個很容易解釋,利用高中知識就可以大概的解釋。

    歐姆定律是宏觀定律,宏觀定律是微觀的統計結果,就是平均的效果。

    首先,在導體(以金屬導體為例)記憶體在大量能自由運動的電子,而且這些自由電子是均勻分佈的,也就是一個電子周圍的自由電子是均勻的,這樣一個電子受到周圍電子的合力可以認為是零,只有在碰撞的時候才認為兩個電子存在作用力,但是電子是點粒子,不佔據空間位置,所以可以認為兩個電子的碰撞機率是零(因為電子體積是零),所以我們可以大致的得到這樣的假設:自由電子之間不存在相互作用力。

    這樣,自由電子可以看作是理想氣體那樣的。除了自由運動的電子,還有大量原子核和核外束縛電子(就是被原子核束縛的非自由電子)組成的整體,由於原子核質量比電子大得多,所以原子核(含束縛電子)的熱運動比起自由電子來說很弱,可以近似認為是靜止的,這樣金屬內的原子核和自由電子的運動歸結為以下三點:

    ①導體內的所有自由電子之間無相互作用,它們可以做無規則熱運動;

    ②導體內的所有原子核(包含束縛電子)看作是靜止的,把它們看作是靜止的“框架”;

    可以把自由電子想象成“不長眼”的熊孩子,把原子核想象成柱子,導體內的情況就相當於一大群“不長眼”的熊孩子在一個屋子裡到處亂跑,屋子裡到處都是柱子,熊孩子跑著跑著就會撞柱子,然後再隨機的到處跑,但兩個熊孩子之間不會相撞。

    有了以上前提就可以計算導體兩端有電壓時,導體內的電流了。

    設有一個導體棒,長為 ,橫截面積為 ,假設導體棒兩端電壓為 ,則電場強度為 ,自由電子雖然有熱運動,但是由於熱運動是隨機的,所以一定時間內穿過導體截面的電荷量是零(因為穿出截面和穿入截面的相等),熱運動對電流沒有貢獻。當有了外加電場,自由電子就附加了一個定向移動的速度, ①。但是加速時間 是有限的,因為自由電子總是會與“框架”發生碰撞,設兩次碰撞的平均距離為 ,則兩個碰撞之間的時間是自由電子可以被電場加速的時間,碰撞後自由電子的運動又是隨機的,對電流的貢獻又變成零了。

    現在要計算出自由電子的加速時間。雖然電場對電子有個加速,但是自由電子因為這個加速而得到的定向移動速度很小,與自由電子熱運動的速度相比是忽略不計的,所以自由電子兩次碰撞的時間間隔為 ,這裡 是自由電子熱運動的平均速度,一般用熱運動平均動能的表示式 將時間間隔 的表示式改寫為 ②

    好了,現在可以求出自由電子被電場加速的最大速度了,最大速度就是

    自由電子的加速過程是勻加速的,所以平均速度就是

    而電流的定義是單位時間內透過截面 的電荷量,由於此時自由電子有了定向移動的速度 ,所以 時間內透過導體截面 的電荷量為 ,這裡 為單位體積內的自由電子數量(或者說自由電子的數密度),這樣就得到電流的表示式為

    把④代入⑤,得到

    再利用 ,得到

    這就是歐姆定律。與歐姆定律 做比較,得到電阻

    可以看到,整個過程基本用高中物理就可推匯出來,上式中的 是電子的質量。

    以上推導只是一個非常粗略的過程,還有更精細的理論,更精確的理論需要用到量子力學方面的知識。

    電能和熱能的轉化大致的可以這樣解釋:自由電子被電場加速後與框架碰撞,這樣自由電子從電場中獲得的動能轉化為了框架的內能,也就是電能轉化為導體的內能。我們也可以據此推匯出焦耳定律 。

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