问题

断了的灯丝再搭上电阻变小,两根导线连接起来接头处电阻变大。是不是,为什么?

回答
这背后涉及到的物理原理其实是有些微妙的,但用通俗的语言解释起来并不难。咱们分两部分来看:

一、断了的灯丝再搭上,电阻变小?

首先,咱们得明确“断了的灯丝再搭上”这个操作指的是什么。 通常来说,我们说的灯丝是指白炽灯里面的那根很细的金属丝,它是通电发光的关键。当它“断了”,意味着这根导电的通路被切断了,灯自然就不亮了。

“再搭上”这里有两种可能:

1. 重新焊接或者搭接断掉的灯丝本身: 如果是灯丝断了,然后你用非常精密的设备,比如激光焊,把断掉的两端重新焊接到一起,让它恢复成原来的样子。那么,理论上,电阻应该接近于原来的状态,甚至可能因为焊点带来的微小杂质或连接处的接触电阻,会稍微大一点点,或者说和原来差不多。 说是“变小”可能性非常小。

2. 用其他导线“绕过”断掉的灯丝,重新接通电路: 这是我们日常生活中更可能遇到的情况,比如临时接线。就是说,原来灯丝断了,电路不通。你用一根新的细导线,把断掉的两端重新连接起来,让电流可以绕过原本的灯丝继续流动。

在这种情况下,说“电阻变小”是有可能的,而且是大概率事件。为什么呢?

灯丝的材料和粗细: 白炽灯的灯丝通常是用钨丝做的,钨丝的电阻率相对较高,而且为了达到高电阻和高温发光,它会被拉成非常细的丝。
替代导线的材料和粗细: 而我们用来“搭接”的导线,通常是铜丝或者铝线。铜和铝都是导电性非常好、电阻率很低的金属。而且,你用来搭接的导线,即使很细,也通常会比灯丝本身要粗一些。
电阻的计算: 我们知道,导体的电阻 (R) 和它的材料(电阻率 ρ)、长度 (L) 以及横截面积 (A) 有关,公式是 R = ρ (L/A)。
电阻率 (ρ): 铜和铝的电阻率比钨要小得多。
长度 (L): 你用来搭接的导线的长度,可能和灯丝断掉的那段差不多,也可能略长一点。
横截面积 (A): 这是关键。即使搭接的导线很细,它通常也会比灯丝粗,这意味着它的横截面积 A 更大。A 越大,电阻就越小。

所以,综合来看,用一根电阻率低(铜、铝)且横截面积大(通常比灯丝粗)的导线去替代(绕过)原先那段电阻率高、又细的灯丝,总体的电阻确实会变小。 相当于你用一条“粗壮”且“好使”的“高速公路”替代了原来那段“狭窄”且“难走”的“山路”。

二、两根导线连接起来,接头处电阻变大?

这个说法是成立的,而且在实际操作中非常普遍。

为什么会这样呢?主要原因有以下几点:

1. 接触电阻 (Contact Resistance): 这是最主要的原因。当你把两根导线连接在一起(比如用压线帽、胶带缠绕,或者简单的拧在一起),这个连接点并不是一个完美的、连续的金属体。
表面氧化层或污垢: 即使是看起来光洁的导线末端,表面也可能有一层非常薄的氧化物或者灰尘。这些杂质层导电性很差,会阻碍电流的顺畅通过。
接触面积和压力: 即使两根导线的金属直接接触,接触也往往不是全面积的。电流需要通过一些微小的接触点才能从一根导线传递到另一根。这些接触点上,电荷的移动会受到阻碍,形成额外的电阻,这就是接触电阻。接触压力越大、接触面积越大,接触电阻通常越小。但很多简易的连接方式,压力和面积都比较有限。
金属晶格的“不连续”: 从微观上看,连接处的金属晶格结构可能会因为连接方式而产生一些“错位”或“间隙”,导致电子在跨越连接点时需要绕行或者能量损失。

2. 连接方式不理想: 很多时候,我们连接导线是为了方便快捷,而不是为了追求极致的低电阻。
压接不紧: 比如用胶带缠绕,可能没有压得很紧,接触面积小,接触电阻就大。
焊接不良: 即使是焊接,如果焊锡没有完全渗透,或者焊点有气孔,也会增加电阻。
导线材质问题: 如果连接的导线材质本身就不太好,或者末端处理得不够干净,也会影响连接处的电阻。

3. 导线本身的连接处: 即使是用焊枪把两根导线焊在一起,焊接处也往往是比原导线电阻稍大一些的。这是因为焊接过程中的金属成分可能会有微小的变化,或者焊接点本身的结构不像原导线那么均匀。

所以,总结一下:

灯丝断了再搭上(用别的导线绕过),电阻变小 是因为你用导电性更好、横截面积更大的导线替换了原本那段电阻率高又细的灯丝。
两根导线连接起来,接头处的电阻变大 是因为连接点存在接触电阻,这是由表面杂质、接触面积不足、接触压力不够以及微观结构不连续等多种因素共同造成的。

这就像是在一条路上,你原本走的是一段坑坑洼洼、很窄的石子路(灯丝),然后你修了一条宽敞平坦的水泥路(搭接的导线),那么总的“行程阻力”就变小了。但如果你是要通过两个地方,非得把两段路“接”起来,那么这个“接头”本身,不管你用什么方法,都很难做到像原先那段路一样流畅,总会有些“过路费”(接触电阻)在那儿。

网友意见

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这个问题我记得曾经回答过,再来回答一次吧。

我们看下图:

上图中,左侧是一根导线,设A、B两点间的电阻是Rab,当通过电流I后,A、B两点间的电压为:

现在我们把导线切断,再对接起来,然后通电测量A、B两点间的电压,我们会发现电压变大了。这是因为接触电阻的原因。

我们设接触电阻为Rj,它的表达式如下:

这里的K是与材料有关的系数,F是接触压力,m是与接触方式有关的系数,点接触时m=0.5,线接触时m=0.7左右,面接触时m=1。

注意:计算得到的接触电阻单位是微欧。

所以对于图示系统,导线切断后再接起来,A、B两点间的总电阻为:

显见,连接处的电阻当然变大了。

我们来看具体的定量分析结果,如下:

设导线为直径10毫米的铜棒,A和B之间的距离是20mm。由于是铜导线,它的K值为100,再设连接方式是面接触,则m=1,接触压力为10N,我们来求未切断前A、B间的电阻,还有切断后的电阻。

解:

未切断前A、B间的电阻:

也即4.33微欧。

再看切断后A、B间的电阻:

结果是0.102毫欧。我们看到,导线切断前后的接触电阻相差不少,切断前的电阻只有切断后电阻的4.2%。

现在我们来考虑题主的问题。题主的问题是:

1)断了的灯丝再搭上电阻变小;

2)两根导线连接起来接头处电阻变大

回答:

题主这里其实讲的是总电阻和接触处的电阻。

第一条的答案是:断了的灯丝再接上,并不是从原处接上的,而是会短掉一截,所以总电阻会减小,灯丝的发热功率将加大,灯泡会更亮。

这个问题以前我回答过,见如下帖子:

Patrick Zhang:白炽灯灯丝断后再接上通电,其电阻是变大还是变小?

第二条的答案如前所述,接触处电阻会加大。

问题回答完了。

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我们来看一个与主题相关且有点意思的问题:

设想我们有一根2.5平方的导线,我们把它剪断,然后简单并接,再通过10A的电流,那么搭接处的温升是多少?如果我们用接线端子连接,温升又是多少?设环境温度为25度,芯线裸露部分长度为15mm。

按正常,应当采取导线互绕来连接。但为了计算方便,采取按1图所示的接线方法,并且设上面的绑扎层不参与导电。

解答:

首先要说明,温升与温度不一样。温度指的是某处的实际温度,而温升则是该处的温度与环境温度之差。

对于1图,我们需要计算芯线的温升,再计算接触处的温升,两者之和就是总温升,再加上环境温度,就是芯线接触处的温度。

对于2图,我们需要计算芯线温升,再计算芯线对接线端子接触处的温升,接着计算接线端子铜管的温升。但我们肯定地知道,温升最高处就是芯线与铜管接触处的温升。既然如此,我们就把铜管温升忽略,只计算到芯线与铜管接触处的温升即可。

1图的求解过程和答案:

设芯线的综合散热温度系数为Kt=7( )。

第一步:求芯线忽略端面后的表面积和芯线截面周长

芯线截面积:

芯线截面周长:

第二步,计算芯线温升

代入温升计算公式:

于是芯线的温度为:

第三步,再来计算芯线接触处的温升

首先要计算接触电阻。

计算中需要有接触压力值。由于手绕线圈对内的压力不会超过10N,一般在7N以下。此处按最大值F=10N来计算。另外,芯线之间的接触为线接触,它的m=0.7。

我们代入公式,得到:

知道了接触电阻,就可以计算接触电压Uj:

在进一步计算前,要把芯线的温度换成绝对温度,也即:

有了这些数据,我们就可以计算芯线接触处的温升了:

计算中出现的L为洛伦茨系数。

于是,芯线接触处的温度为:

比较芯线的温度42.3度,我们发现系统温度的主体是芯线温度。

不但芯线如此,开关电器也是如此。所以在国家标准GB14048.1-2012《低压开关设备和控制设备 第1部分:总则》中,把开关电器的温升用它的接线端子来近似代替,其原因就在于此。

2图的求解过程和答案:

2图的求解过程中,导线本体发热与1图类似。

区别在芯线与铜管的接触。由于螺丝赋予的压力很大,一般可达15N到30N,且芯线与铜管的接触近乎为面接触,因此接触电阻小很多。

我们看它的接触电阻:

只有缠绕法的33.1%。

注意到螺钉有2个,因此接触电压为:

再看温升:

2图的计算结果会告诉我们,导线与铜管的温升可以忽略不计了。

我们由此可以看出缠绕法于端子法的区别:缠绕法用久了以后接触电阻会越来越大,温升当然也越来越高。相反,端子法却始终一致;缠绕法解开麻烦,而端子法解开和接入容易。

可见,与缠绕法相比,端子法是一种很好的接线方法。难怪国际电工委员会和各个世界电气大公司都主推这种方式。

至此问题的计算已经完成,供大家参考。

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