问题

非线性元件不符合欧姆定律这句话是什么意思,小灯泡不符合欧姆定律是怎么回事,这个表述是不是有误?

回答
“非线性元件不符合欧姆定律”这句话,说得再明白一些,就是说在这些元件里,电压和电流之间的关系,不像那些“乖乖”遵守欧姆定律的电阻那样,是简单的正比例关系。电压加到多大,电流就跟着多大(或者说电压翻倍,电流也翻倍),而且这个比例关系基本不会变。

欧姆定律到底说了啥?

我们得先回到那个最基础的欧姆定律。它说的是,在恒定温度下,通过一个导体的电流,与施加在它两端的电压成正比,与它的电阻成反比。用公式表示就是:$I = U / R$。这里的关键点是,电阻 R 是一个常量。只要温度不变,你给它加多大电压,它就表现出这个固定的电阻值,电流也就跟着比例变化。最典型的符合欧姆定律的元件就是我们常说的“理想电阻”。

那么,什么叫“非线性元件”呢?

非线性元件就是不遵循这个简单正比关系的元件。这意味着,在它们身上,电压和电流的关系不是一条直线(如果你把它们画在 UI 特性曲线上)。它们的“电阻”值(虽然有时候我们不再简单地称之为电阻了,而用“动态电阻”或者“微分电阻”来描述某一特定工作点附近的斜率)会随着电压或电流的变化而变化。

小灯泡不符合欧姆定律,是怎么回事?

这就是一个绝佳的例子。我们来仔细看看小灯泡:

发热是关键: 小灯泡之所以能发光,是通过电流流过灯丝,灯丝受热膨ڑ发光。这个过程中,灯丝的温度会急剧升高,从室温可能飙升到几千摄氏度。
温度影响电阻: 大多数金属(包括制造灯丝的钨丝)的电阻率会随着温度升高而增大。也就是说,当灯泡点亮,灯丝变得滚烫时,它的电阻值比它在常温下熄灭时要大得多。
非线性表现: 想象一下,你慢慢加大灯泡两端的电压。一开始,电流很小,灯丝温度不高,电阻也相对较低。随着电压的升高,电流增大,灯丝温度也随之急剧升高。温度一上来,灯丝的电阻就跟着增大了。这时,即使你再稍微增加一点电压,电流的增长幅度可能就没有一开始那么明显了,因为它要克服一个更大的电阻。
UI 特性曲线: 如果你把小灯泡的电压(U)和电流(I)关系画出来,你会发现它不是一条通过原点的直线。随着电压的升高,电流虽然也在增大,但增长的速度会越来越慢,曲线会逐渐变得平缓。这就是“非线性”的表现。它的“电阻”(可以看作是 U/I 的比值)实际上是在变化的。

所以,“非线性元件不符合欧姆定律”这句话本身没有错,它准确地描述了这类元件的特点。

然而,我们可能会遇到一些让人觉得它“有误”的表述,或者说是在理解上的偏差:

1. “小灯泡不符合欧姆定律”这种表述,有时候会被误解为“小灯泡根本不能用电学规律来描述”。 这当然是错的。它只是说它不符合“线性”的、恒定电阻的欧姆定律定义。我们仍然可以用更复杂的、包含温度效应的公式或模型来描述它,只是这个模型不再是一个简单的 U=IR(R为常数)的方程了。
2. 在某些低电压、小电流的近似情况下,灯丝温度变化不明显,这时灯泡的电阻可能相对稳定,在很小的范围内表现得“接近”符合欧姆定律。 但这是一种近似,不是本质。一旦电压升高,温度变化显著,它就不再符合了。
3. 很多时候,我们在电路分析中为了简化计算,会假定某些元件是线性的。 但这是一种模型化的处理,是为了方便,而不是说这些元件本质上就是线性的。

总结来说:

“非线性元件不符合欧姆定律”是对的,意味着它们的电压电流关系不是简单的正比关系,其等效电阻会随工作状态(如温度、电场强度等)而变化。
小灯泡就是一个典型的例子,其灯丝的电阻随着温度升高而增大,导致其 UI 特性曲线不是一条直线,所以不符合欧姆定律。
这个表述本身是准确的,但它不代表这些元件的行为是混沌无序的,而是有其特定的、由物理机制决定的非线性规律可循。

希望这样详细的解释,能让你对这个问题有更清晰的认识。

网友意见

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俺来强答一番。


在某个区间, 钨丝白炽灯是可以近似为一个线性的电阻, 这可以用中学的物理来理解.

但是,

现实当中,完整地看,小灯泡所谓不符合欧姆定律, 应该确切地说它应视为非线性元件, 也就是一个正温度系数的温敏电阻(PTC).

当环境温度稳定, 电路也稳定以后, 在路的小灯泡是符合欧姆定律以及 KCL/KVL 的。


咱初中实验课用的手电筒钨丝白炽灯泡(tungsten light bulb)其实是个 PTC (positive temperature coefficient thermistor)。



A Spice model for a tungsten lamp was published in

EDN-Design Ideas sectio of EDN magazine on Oct. 14, 1993.


       Listing 1 - Tungsten lamp Spice model  * V = operating voltage of lamp * P = wattage of lamp  .SUBCKT LAMP 2 3 8 * HI LOW THERMAL V4 2 5 RV4 3 5 1MEG E9 5 3 POLY(2) 4 0 10 0 0 0 0 0 {V*V/P} RE5 5 3 1MEG G6 0 8 POLY(2) 4 0 5 3 0 0 0 0 1 R2 8 7 {2600/P} V3 7 0 300 C1 8 0 {1.57M*P} EPOLY 10 0 8 0 -4.000190E-1 , 1.789738E-3 , -9.088125E-7 , + 2.48935E-10 , -1.642730E-14 RPOLY 10 0 1MEG H1 4 0 V4 1 RH1 4 0 1MEG .ENDS  SOURCE: EDN BBS /DI_SIG #1305     


如果把钨丝白炽灯泡抽象成 SPICE 模型, 也是比较复杂的.

它的行为用一个简单的电阻描述不了.

即使不考虑 AC 特性, 不考虑寄生感抗这东西.


       https://www.researchgate.net/publication/4150292_A_SPICE_compatible_behavioral_electrical_model_of_a_heated_tungsten_filament     


类似的模型在其他的文献中也能找到。




总的来说, 中学知识足以理解钨丝白炽灯泡应该视为非线性元件。

尽管需要一点点时间消化。


数学基础不过是解析几何而已。

所谓线性关系也就是大家熟悉的 y = ax +c 这样的关系。

而非线性关系是个很大的筐,

只要不是 y = ax +c 这样的关系,

就可以往非线性筐里面放。

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灯泡的电阻在冷态很小,热态很大,可以相差几倍到十几倍。因此灯泡在热态时近似是恒流器件(和近似恒压特性的LED正好相反)。

可以自己做个实验,在额定电压附近小幅度调节,测量灯泡的电压和电流,画出V-I曲线看看。

以前曾经有过一种稳流管,其实也就是个钨丝灯泡。

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