大學(xué)物理4直流電

穩(wěn)恒電流:若導(dǎo)體中通過任一截面的電流其大小和方向均不隨時(shí)間而改變,這種電流稱為穩(wěn)恒電流.電流:電荷在電場力的作用下發(fā)生定向運(yùn)動(dòng),就形成電流.第1頁/共42頁4.1電路的基本物理量電路的物理量電流電壓電動(dòng)勢(shì)電池?zé)襞軪IRU+_電源負(fù)載返回目錄第2頁/共42頁一.電流強(qiáng)度2電流強(qiáng)度定義為單位時(shí)間內(nèi)流過導(dǎo)體截面的電量。方向?yàn)檎d流子流動(dòng)的方向，單位為安培（A）。標(biāo)量：1.電流強(qiáng)度:用來描述電流強(qiáng)弱的物理量.3.習(xí)慣上規(guī)定,正電荷運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?在外電場的作用下,正電荷將順著電場方向運(yùn)動(dòng),而負(fù)電荷則逆著電場方向移動(dòng),所以電流的方向總是和第3頁/共42頁二.電流的參考方向1.在電路分析中,當(dāng)涉及某個(gè)元件或部分電路的電流時(shí),有必要指定電流的參考方向.這是因?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向可能是未知的,也可能是隨時(shí)間變動(dòng)的.2.在分析計(jì)算電路時(shí),可任意選定選定某一方向作為電流的正方向,用箭標(biāo)表示在電路圖上.場的方向一致.第4頁/共42頁+-RR+-參考方向?qū)嶋H方向參考方向?qū)嶋H方向4.這樣,在指定的電流參考方向下,電流值的正負(fù)就可以反映出電流的實(shí)際方向.3我們所選擇的電流正方向(參考方向)不一定與電流的實(shí)際方向相一致;如果電流的實(shí)際方向與正方向一致,則電流為正值,如果電流的實(shí)際方向與正方向相反,則電流為負(fù)值.第5頁/共42頁abI二.電壓與電動(dòng)勢(shì)1.為了衡量電場力對(duì)電荷做功的能力,引入電壓這一物理量,電場力將單位正電荷從a點(diǎn)經(jīng)過電燈到達(dá)b點(diǎn)做的功，叫做a，b兩點(diǎn)間的電壓Ｕab第6頁/共42頁2.電動(dòng)勢(shì):把單位正電荷經(jīng)電源內(nèi)部由負(fù)極移向正極過程中,非靜電力所作的功.由于非靜電力只存在于電源中所以電動(dòng)勢(shì)還可寫為L應(yīng)是包括電源的任意回路第7頁/共42頁物理量的實(shí)際正方向返回目錄第8頁/共42頁一電阻率電阻率一段電路的歐姆定律電阻定律電導(dǎo)率電阻的溫度系數(shù)

電阻率（電導(dǎo)率）不但與材料的種類有關(guān)，而且還和溫度有關(guān).一般金屬在溫度不太低時(shí)電阻率第9頁/共42頁復(fù)習(xí):1.串聯(lián)電路電阻,電流和電壓的特征?2.并聯(lián)電路電阻,電流和電壓的特征?第10頁/共42頁一惠斯登電橋GBACKI1I5I3I2I4EORXR0R1R2第11頁/共42頁4.2基爾霍夫定律一.復(fù)雜電路:運(yùn)用電阻串并聯(lián)的方法不能將電路簡化成一個(gè)單回路電路,這種電路稱為復(fù)雜電路.二.復(fù)雜電路中的幾個(gè)概念1.支路:由一個(gè)或幾個(gè)元件首尾相接構(gòu)成的無分支電路.在同一支路中,流過所有元件的電流相等.例如圖5-3中,共存在三條支路,其中r1和E1構(gòu)成一條支路；r2和E2構(gòu)成一條支路，Ｒ是另一條支路第12頁/共42頁E1E2Cr1BFRr2I2I1I2結(jié)點(diǎn)：電路中三條或三條以上的支路相連接的點(diǎn)，稱為結(jié)點(diǎn)．在圖５－３所示的電路中共有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：Ａ和Ｂ回路：由一條或多條支路構(gòu)成的閉合電路圖５－３中共有ＡＤＢＣＡ，ＡＦＢＤＡ，ＡＦＢＣＡ三個(gè)回路AD第13頁/共42頁１２３４５６ＡＢＣＤ右圖為一個(gè)６個(gè)元件相互連接而成的電路，此電路共有４個(gè)節(jié)點(diǎn)和６條支路第14頁/共42頁電路中的各個(gè)支路的電流和支路的電壓受到兩類約束，一類是元件特性造成的約束,例如：１線性電阻元件的電壓和電流必須滿足u=Ri的關(guān)系．這種關(guān)系稱為元件的組成關(guān)系或電流電壓關(guān)系．２另一類是元件的相互連接給支路電流之間和電壓之間帶來的約束關(guān)系，有時(shí)稱為拓?fù)浼s束，這類約束由基爾霍夫定律體現(xiàn)．二基爾霍夫電流定律基爾霍夫定律闡明的是電路中任一節(jié)點(diǎn)處各電流之間的關(guān)系，又稱節(jié)點(diǎn)電流定律或基爾霍夫第一定律第15頁/共42頁(一)基爾霍夫電流定律對(duì)任何節(jié)點(diǎn)，在任一瞬間，流入節(jié)點(diǎn)的電流等于由節(jié)點(diǎn)流出的電流?；蛘哒f，在任一瞬間，一個(gè)節(jié)點(diǎn)上電流的代數(shù)和為0。

即：

I=0基爾霍夫電流定律的依據(jù)：電流的連續(xù)性。例I1I2I3I4或：第16頁/共42頁幾個(gè)需要注意的問題：１節(jié)點(diǎn)電流定律對(duì)電路中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都適用，２如果電路中有m個(gè)節(jié)點(diǎn)，即可得到m個(gè)方程，但其中只有m－１個(gè)方程是獨(dú)立的３在電路中，電流的方向往往難以判斷，因此在列方程時(shí)，可以任意假定電流Ｉ的正方向，當(dāng)計(jì)算結(jié)果Ｉ＞０時(shí)，表示電流的方向和假定的正方向一致，反之，電流Ｉ＜０時(shí)，則表示電流的方向與假定的正方向相反．４基爾霍夫定律可以推廣應(yīng)用與假定的封閉面第17頁/共42頁例:如右圖所示電路,其電流的參考方向如圖(1)問:該電路有幾個(gè)節(jié)點(diǎn),幾條支路和幾條回路?(2)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)列出其電流方程?145623i6i1i7i2i3i8i4i5第18頁/共42頁1.共有四個(gè)節(jié)點(diǎn),分別是1,2,3,和52共有6條支路3電流方程i1+i4-i6=0-i2-i4+i5=0i3-i5+i6=0i1-i2+i3=0第19頁/共42頁三基爾霍夫電壓定律1基爾霍夫電壓定律闡明的是電路任一回路上各部分電勢(shì)差的關(guān)系,又叫基爾霍夫第二定律.2.基爾霍夫電壓定律:沿回路繞行一周時(shí),各電源與電阻上電勢(shì)降的代數(shù)和為零.寫成一般形式為3注意的幾個(gè)問題第20頁/共42頁(1)在使用基爾霍夫定律時(shí),要先選定回路的繞行方向(2)在回路的繞行方向上,電勢(shì)降取正值,電勢(shì)升取負(fù)值(3)雖然每一個(gè)回路都可以按照基爾霍夫第二定律列出回路電壓方程,但并非每一個(gè)方程都是獨(dú)立的,對(duì)于一個(gè)復(fù)雜電路有m個(gè)回路,則只有m-1個(gè)方程是獨(dú)立的第21頁/共42頁E1E2Cr1BFRr2I2I1I3例5.1有兩支蓄電池,電動(dòng)勢(shì)E1=2.14伏,E2=1.9V,內(nèi)阻r1=0.1問(1)通過負(fù)載電阻及各電源的電流是多少?根據(jù)題意:設(shè)I1,I2和I3分別為通過蓄電池和負(fù)載電阻的電流,并假定電流的方向如圖所示.根據(jù)基爾霍夫第一定律r2=0.2負(fù)載電R=2若按右圖連接,兩蓄電池的輸出功率是多少?AD第22頁/共42頁可列出節(jié)點(diǎn)A的電流方程:又根據(jù)基爾霍夫第二定律,對(duì)回路ABCA和ADBA可分別列出電壓方程,設(shè)回路的繞行方向?yàn)轫槙r(shí)針方向,則有由以上三式可解得第23頁/共42頁電阻R兩端的電壓降UAB=I3R=2V所以蓄電池E1的輸出功率為:P1=I1U=1.5X2=3W蓄電池E2的輸出功率為P2=I2U=-0.5X2=-1W消耗在電阻R上的功率為:P3=I32R=12X2=2W第24頁/共42頁4.3電路中各點(diǎn)電勢(shì)的計(jì)算例1:在下圖所示的電路中,先設(shè)a為零勢(shì)點(diǎn),即Va=0,求其余各點(diǎn)電勢(shì).再設(shè)d點(diǎn)為零勢(shì)點(diǎn),求其余各點(diǎn)電勢(shì)aR1=3kR2=5k+-E112V+-E220VbcdI=4mAI解:以a為零電勢(shì)點(diǎn),則第25頁/共42頁(2)以d為零電勢(shì)點(diǎn),則(1)電路中某一點(diǎn)的電勢(shì)等于該點(diǎn)與零電勢(shì)之間的電壓(2)參考點(diǎn)選的不同,電路中各點(diǎn)的電勢(shì)值隨著改變,但任意兩點(diǎn)間的電壓是絕對(duì)的(3)參考點(diǎn)的選擇是任意的,但一個(gè)電路只能有一個(gè)參考點(diǎn)第26頁/共42頁例:計(jì)算如圖中所示B點(diǎn)的電路BR1100k50kR2CA9V6V規(guī)定繞行方向?yàn)檎较?則第27頁/共42頁4.4基爾霍夫定律的應(yīng)用用支路法求解步驟為:判別電路的支路數(shù)及節(jié)點(diǎn)數(shù),在電路圖上標(biāo)出條支路電流正方向用基爾霍夫電流定律列出個(gè)獨(dú)立方程選擇個(gè)獨(dú)立回路,任意假設(shè)各回路的繞行方向,根據(jù)基爾霍夫電壓定律列出個(gè)獨(dú)立方程.聯(lián)立方程,求出各支路電流第28頁/共42頁一惠斯登電橋GBACKI1I5I3I2I4EORXR0R1R2根據(jù)基爾霍夫定律可以列出A,B,O三個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)方程取ABOA,BCOB和ACEA三個(gè)獨(dú)立的回路,假定回路的繞行方向均為順時(shí)針方向,根據(jù)基爾霍夫第二定律有第29頁/共42頁(1)若已知電路中電源的電動(dòng)勢(shì)和各電阻值,對(duì)于一般的電路,根據(jù)上述六個(gè)方程式,即可解得各電流的數(shù)值(2)對(duì)于處在平衡狀態(tài)的惠斯登電橋來說,通過電流計(jì)的電流為零,即I5=0,則I1=I3I2=I4(3)第30頁/共42頁同時(shí)由方程組2,得I1RX=I2R1I3R0=I4R2(4)將式(3)代入(4)式得第31頁/共42頁二電位差計(jì)GCBADII1E1K2R1I1I2EXE0ED1RgRX1RX2第32頁/共42頁先將轉(zhuǎn)換開關(guān)K1倒向標(biāo)準(zhǔn)電池E0,這時(shí)對(duì)于節(jié)點(diǎn)A和回路ABCDA可分別列出方程移動(dòng)觸點(diǎn)D,使電流計(jì)G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn),即電流I2=0,則第33頁/共42頁隨后,把轉(zhuǎn)換開關(guān)K1倒向待測(cè)電源,按上述方法重新移動(dòng)觸點(diǎn)D,當(dāng)D移動(dòng)到觸點(diǎn)D1時(shí)電流計(jì)中的電流為零,這時(shí)應(yīng)有若電源E1的內(nèi)阻為r1則在上述兩種條件下，對(duì)于閉合回路ＡＤＥＡ均有第34頁/共42頁第35頁/共42頁CuFeII熱接頭冷接頭兩種金屬接成一個(gè)回路若兩個(gè)接頭處的溫度不同則回路中有電流通過，這種現(xiàn)象叫溫差電現(xiàn)象．４．５溫差電現(xiàn)象

（貝塞克效應(yīng)）如圖第36頁/共42頁CuFeII熱接頭冷接頭溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因：1）在同種金屬中溫差形成自由電子的熱擴(kuò)散（湯姆孫

Thomon電動(dòng)勢(shì)）2）不同金屬中自由電子濃度不同在接頭處產(chǎn)生與溫度有關(guān)的擴(kuò)散（珀耳帖

Peltier電動(dòng)勢(shì)）第37頁/共42頁一般

mV/100C。

T2T1

待測(cè)已知恒溫（測(cè)

）電位差計(jì)ABCBi—Sb

10-2V/100C。（鉍）（銻）溫差電動(dòng)勢(shì)的應(yīng)用:1.熱電偶第38頁/共42頁實(shí)物演示溫差電現(xiàn)象優(yōu)點(diǎn)：▲熱容小靈敏度高(10-3°C)

▲可逐點(diǎn)測(cè)量測(cè)小范圍內(nèi)溫度變化▲測(cè)溫范圍大（-200°C—2000°C）▲便于自動(dòng)控制

T2T1

待測(cè)已知恒溫（測(cè)

）電位差計(jì)ABC第39頁/共42頁４．６跨膜電勢(shì)差一離子擴(kuò)散產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)離子在