问题

导线没有电阻,为什么缠绕成线圈就有电阻了呢?

回答
这个问题提得非常好,而且直击了很多初学者的困惑。我们来好好聊聊这个事,让它听起来就像是咱俩坐下来喝茶时讨论的。

首先,你说“导线没有电阻”,这其实是一个理想化的模型。在物理学里,为了简化问题,我们有时候会假设某些东西是完美的,比如“没有质量的质点”、“没有摩擦力的平面”等等。在很多基础电路分析中,我们确实会把导线看作是零电阻的,这样可以让我们专注于电路的核心部分,比如电阻、电容、电感这些“真正”产生效应的元件。

但是,在现实世界里,任何导电的材料,只要它不是绝对零度的超导体,都或多或少地存在电阻。 这个电阻的大小取决于几个关键因素:

1. 材料本身:不同的金属导电性不同。铜和银是很好的导体,电阻率很低;而铁、镍这些就相对差一些。这是由材料原子结构中自由电子的数量和它们运动的难易程度决定的。
2. 长度:导线的长度越长,电子在里面穿行的“阻碍”就越多,电阻也就越大。你可以想象成一条很长的窄巷子,里面的人想走出去,比在短巷子里要费劲得多。电阻和长度是成正比的。
3. 横截面积:导线的粗细也影响电阻。越粗的导线,它的横截面积越大,相当于给电子提供了更多的“通道”,它们更容易通过,电阻就越小。电阻和横截面积是成反比的。
4. 温度:一般来说,温度越高,导线中的原子振动越剧烈,会更多地阻碍电子的运动,电阻就越大。

所以,即使是一根短短的铜导线,它也是有电阻的,只是因为它的电阻率低、长度短、面积大(相对而言),所以电阻值非常非常小,在我们很多日常的电路分析中可以忽略不计。

那么,为什么缠绕成线圈就好像“出现”了电阻,或者说电阻效应变得明显了呢?这其实是个误解,不是缠绕线圈“制造”了电阻,而是线圈的结构 放大或突出了某些原本就很小的效应,使得它不再那么容易被忽略。更准确地说,线圈的特性不仅仅是电阻。

当导线缠绕成线圈时,它主要会产生电感这个特性。电感是导线通过电流时,自身产生(或相互影响)磁场的性质。一个线圈因为电流在其中形成闭合的磁场,这个磁场又会随着电流的变化而变化,根据电磁感应定律,变化的磁场又会在导线中产生一个反向的电动势,阻碍电流的变化。这就是电感的阻碍作用。

那么,这个电感跟我们刚才说的“导线电阻”有什么关系呢?

1. 电阻是消耗能量的:我们之前说的导线电阻,它的本质是电子在材料中运动时,与材料中的原子发生碰撞,把动能转化为热能,这就是焦耳热,是能量损耗。
2. 电感是储存能量的:电感器(线圈)主要的作用是储存磁场能量,而不是消耗能量(理想电感)。它对电流的变化起阻碍作用,但这种阻碍是因为它要建立和维持磁场,当电流稳定后,理想电感的阻碍作用就不存在了(除了它本身的导线电阻)。

问题的关键可能在于,你感受到的“阻碍”可能更多是电感的效应,而不是导线本身电阻的显著增大。

高频交流电下电阻效应的体现:虽然直流电下导线电阻很小,但在交流电下,特别是频率较高时,还有一个叫做集肤效应的现象。电流倾向于在导体的表面流动,而不是平均分布在整个截面上。这相当于导线有效的导电横截面积减小了,所以电阻会比直流时要大一些。线圈在某些应用中(比如射频电路),工作频率可能很高,集肤效应就比较明显了。
线圈的结构特点:线圈是把很长的导线紧密地缠绕在一起。这意味着:
导线的总长度大大增加:即使单段导线电阻小,但累积起来的电阻就更不可忽略了。如果一个线圈用了10米长的导线,那它的电阻就是这10米导线的总电阻。
导线之间的靠近和层叠:虽然不是直接产生“新”电阻,但在高频下,导线之间的电容效应和互感效应也可能引入其他复杂情况,不过这些和导线本身的电阻关系不大。

所以,我们应该这样理解:

导线本身一直都有电阻,只是在很多情况下很小,可以忽略。
缠绕成线圈,首先是把一段很长的导线集中起来,累积的总电阻自然就显现出来了。
更重要的是,线圈的主要特性是电感,它对电流的变化起阻碍作用,这种阻碍不是通过消耗能量(变成热量)实现的(这是电阻的特点),而是通过建立和改变磁场实现的。

所以,如果你的感觉是“线圈有阻碍作用”,这个阻碍可能是:
直流情况下:主要是导线本身的累积电阻(焦耳热)。
交流情况下:
导线本身的累积电阻(直流+集肤效应等)。
更主要的:电感的感抗(阻碍电流变化)。感抗的大小跟频率和电感值有关,频率越高、电感越大,感抗越大。

你可能把电感的阻碍作用误认为是“导线电阻变大了”。它们都是阻碍电流的,但机制和能量处理方式是不同的。线圈只是让这些效应(电阻和电感)变得更突出、更值得我们去关注和计算而已。

简单来说,一根面条放着不理它,你可能觉得它没啥特别的。但你把它盘起来卷成一个盘子,它就有“形状”和“体积”了,就更容易被注意到。导线本身有电阻,线圈只是把这些“小电阻”聚集在一起,同时赋予了它更强大的“电感”特性。

网友意见

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这个问题一方面前提是错误的, 另一方面结论和问题也是错误的。

前提的错误是来源于没有好的万用表, 航天级的万用表。所以测不出电阻。

“缠绕成线圈就有电阻”这个结论也来自于错误的实验方法, 虽然线圈有电阻是一个常识。


详细解释有点太麻烦, 所以俺贴一篇散文供大家参考。

19世纪的“贵金属”:铝质16AWG音箱线实测 -- 麦文学看图说话系列


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铝是一种贱金属, 但是在拿破仑时代由于取之不易,当时铝的价格高于黄金。

贵金属主要指金、银和铂族金属(钌、铑、钯、锇、铱、铂)等8种金属元素。这些金属大多数拥有美丽的色泽,具有较强的化学稳定性,一般条件下不易与其他化学物质发生化学反应。

贱金属是除了金,银,白金等贵金属之外,其他的所有金属。例如 铁、铜、镍、铝、铅、锌、锡、钨等。


网友们很好奇, 特别是家电论坛上有读者说从来莫得人用电桥测试市面上很流行的“金银线” 的分布电容分布电感以及直流电阻。


这个春节俺有点闲暇, 就给大家测一测, 满足一下大家的好奇心。


这种音箱线很便宜, 甚至亚马孙上都有的卖:


它的特点是不能焊接, 除非您用磷酸锌之类稀奇古怪的焊媒和二氧化硅摩擦剂。 很少有读者愿意为了焊接铝线再去寻找一辈子都不会碰的化学试剂。

好了, 废话少说, 跑题了。


3米 16AWG 铝质16AWG音箱线


20 摄氏度, 平均 16 次。

分布电容

1000 HZ

CS 163.35 pF D0.0740

10000 HZ

CS 145.79 pF D0.0830

100000 HZ

CS 129.30 pF D0.0770

100HZ

CS 0.1809 nF D0.0603

120HZ

CS 0.1787 nF D0.0617


分布电感

1000 HZ

LS 2.36 uH RS 78.94 mOHM

10000 HZ

LS 2.361 uH RS 78.95 mOHM

100000 HZ

LS 2.3629 uH RS 95.17 mOHM

100HZ

LS 0.0023 mH RS 78.94 mOHM

120HZ

LS 0.0023 mH RS 78.94 mOHM


直流电阻

DCR 79.03mOHM


79.03mOHM 是啥意思呢? 就是 0.07903 欧姆, 一般的万用表(DT830B 甚至 Fluke 87)都以为是零了。




普通退火铜线 100 米还不到 0.5 欧姆的直流电阻。



参考:

各种线径的电阻值


elektrisola.com/fileadm


常用电阻率

材料电阻率(Ω m)

(1)银1.65 ×10-8

(2)铜1.75 ×10-8

(3)金2.40×10-8

(4)铝2.83 ×10-8

(5钨5.48 ×10-8

(6)铁9.78 ×10-8

(7)铂2.22 ×10-7

(8)锰铜4.4 ×10-7

(9)汞9.6 ×10-7

(10)康铜5.0 ×10-7

(11)镍铬合金1.0 ×10-6

(12)铁铬铝合金1.4 ×10-6

(13) 铝镍铁合金1.6 ×10-6


就不占用太多版面了, 俺的中篇散文也许更清楚:


为了实践超导体, 俺连液氮也买了。


当然, 液氮有点小贵。




International Annealed Copper Standard。用来表征金属或合金的导电率(参比于标准退火纯铜)。一般定义标准退火纯铜的导电率为100%IACS。I.A.C.S导电率百分值为I.A.C.S体积导电率百分值或I.A.C.S质量导电率百分值,其值为国际退火铜标准规定的电阻率(不管是体积和质量的)对相同单位试样电阻率之比乘以100.

紫铜、铝、黄铜,谁的导电能力强?

一般情况下,很多人会认为,铜的电阻率一定会比铝的电阻率低。事实上黄铜的电阻率远远大于铝,然而很多人并不知道,仍然保持着是铜就比铝强的错误观点。可以这么说,同截面的导电铝其导电能力将远大于黄铜。导电率的%IACS (International Annealed Copper Standard)为国际软铜导电率标准 ,100%IACS= a resistivity of 1.7241e-8 ohm meter or 5.8001e7 Siemens/meter when expressed in terms of conductivity at 20°C.

.


好了, 人类是否能靠耳朵听出毫欧级的铝线和铜线的区别呢?

开放改革几十年的历史说明, 绝大部分地球人是没有进化到那个程度的。

他们的 DNA ,哦不染色体, 维持在 46 条。。

比猪多八条, 比大猩猩少两条。


目前唯一的中篇散文:

耳机发烧的初大36问及其他 -- 麦文学鸽大系列



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