赵凯华电磁学三版三恒定电流agesPPT课件.ppt

第三章稳恒电流steadycurrent 提要 在稳恒电流条件下 导体中的电荷分布不随时间改变 电荷所产生的电场不变 对应电场基本性质与静电场相同 本章利用前两章场的观点分析稳恒电流电路中电荷分布 电场性质 1 电流定义 电荷的定向流动形成电流 问题 为什么要求定向 区别于热运动 作业P170 172 6 8 17P181 6 1电流的稳恒条件和导电规律一 电流强度 电流密度 2 传导电流形成条件 a 存在自由电荷 束缚电荷不能做宏观运动 b 存在推动电荷的作用力 静电力或非静电力 1 电流仅在某一导体截面上有定义 在某一点上没有定义 不具备定义矢量条件 单位时间内通过导体某一横截面的电量 单位 安培 3 电流方向 正电荷运动的方向 问题 对于金属导体 规定是否合理 等效的合理性 除霍尔效应之外的电磁学效应等效 4 电流大小 电流强度 电流具有大小 方向 电流是否为矢量 为什么 2 5 电流密度currentdensity 需要引入描述不同点的电荷流动的局部量 电流强度 单位时间内通过导体某一横截面的电量 整体量 2 电流密度矢量 方向 每一点上的正电荷流动方向 1 为什么引入电流密度 3 6 电流密度和电流强度的关系 7 电流场 电流线 为什么可以构成电流场 各点有大小 方向 电流线 参照电场线定义 电流线如何描述电流场 方向 大小 参照电场线 电流强度是电流密度的通量 4 二 电流连续方程 电荷与电流的关系 稳恒条件 1 电流连续方程的推导 在电流场中取闭合曲面S 曲面S上电流密度通量与 曲面内电荷q内的关系 说明 闭合S面的法向矢量向外 外出 5 线 S内正电荷增加 电流线终止于dq dt 0处 2 电流线与电荷运动 增减的2 关系 对比分析 电力线终止于q 0 正电荷在S内停止 电流线终止于S内 电流线终止于 dq dt0 正电荷增加处 图像理解 公式理解 电流线由何处发出 dq dt 0处 即dq dt 0 6 3 稳恒电流 1 稳恒电流定义电流场中每一点的电流密度的大小和方 1 向均不随时间改变 2 稳恒条件 分析 电流由电场推动电场不变 稳恒条件 电场由电荷产生电荷分布不变 7 a 稳恒电流场内 电荷分布不变 即dq dt 0 3 稳恒电流场的性质 b 稳恒电流线连续 c 稳恒电流的电流线必须闭合安培首次证明 8 4 电流管及其性质 a 定义 由电流线围成的管状区 性质2 稳恒时 电流管中电流密度与电流管界面成反比 同电场线性质 疏密 大小 对比 电场线管 b 性质1 稳恒时 电流管中各个截面上的电流强度相等 0 9 三欧姆定律 电阻 电阻率 1 表述 在稳恒条件下 通过一段导体的电流强度和导体两端的电压成正比 2 问题1 引入电位的条件是静电场条件下满足 为什么在稳恒电场中场中也能引入电压 静电场 稳恒电场 电荷静止不动 电荷运动 稳恒电流不产生感应电场 1 欧姆定律 电荷分布不变 仅有电荷产生的静电场 10 3 欧姆定律变形 问题2 稳恒电场与静电场的性质是否完全相同 稳恒电场的导体 静电场中导体 I 0 I 0 电导 单位 西门子 原因 必须存在推动电荷运动的静电力 F qE E不能为零 11 2 电阻 率 电导 率 a 电阻公式 适用条件 截面均匀 S相等 材料性质各点相同 相同 不均匀情形 截面积或电阻率不均匀分布时 分割单元 X 积分 dx 12 3 欧姆定律的微分形式 1 欧姆定律的积分形式 2 欧姆定律微分形式及推导 为积分量 为微分量 13 公式推导 小电流管内的欧姆定律 欧姆定律中积分量与微分量的关系 代入整理 得到欧姆定律微分形式 14 导体中该点正电荷运动的方向 导体中某一点的场强方向 加速运动 电场力推动 初始速度为零 电子碰撞晶格后速度为零 流 力 物质 在导体中的每一点上 驱动力与电流 电荷流动 的关系 15 3 欧姆定律微分形式的优点 积分形式 描述一段导体 长度 面积 的整体导电规律 微分形式 描述导体每一点的局部导电规律可以分析非均匀 非规则导体的导电特性 四 电功率 焦尔定律 略讲 任意条件下的电功率 电阻热功率 热功率密度 微分形式 课后习题17 16 五 金属导电的经典解释 定性解释 结论不准确 自学要点 金属中电子运动特性 金属电阻产生的原因 与哪些因素有关 17 2电源及电动势习题 6 一 非静电力 1 推动电荷运动的作用力 静电力 库仑作用力 非静电力 除静电力之外的力 2 稳恒电流的性质 稳恒电流线连续 3 维持稳恒电流的条件 回到原点 闭合 不能 原因 1 2 有碰撞造成的动能损失 18 使小铁环重新回到原点 小环运动路径闭合的条件 除重力之外 施加其他推动力 即非重力的推动力 同理 维持稳恒电流 即 运动电荷路径能闭合的条件为 除静电力之外 还需施加其他推动力 即非静电力 作用 补充碰撞消耗的能量 是否有无损耗的导体 超导体 对比 当存在摩擦力时 重力推动小铁环的例子 19 2020 1 7 20 4 提供非静电力的装置 电源 导体内存在静电力 作用 推动正电荷由电源正极运动到负极 问题 正电荷如何运动到正极 形成闭合电流 电源外部 电源内部 正电荷的所受静电力 阻止正电荷向正极运动 正电荷的所受非静电力 必须存在 且方向指向正极 21 非静电力强度 的方向 负极 正极 电流闭合循环的推动过程 外 正极 负极 内 负极 正极 单位正电荷所受的非静电力 能量变化 电位变化 外部 高 低 内部 低 高 正电荷 22 二 电动势 由静电力的功引出电势差 电势 由非静电力的功引出一种所谓的势 电动势 电动势特性 与外电路无关 1 是否接外电路 2 电流流动方向 23 三 电源的路端电压 负载两端的电压 电源正 负两极间的电压差 电动势 路端电压定义 a 积分路径可选电源内部 外部 选内部 b 电源内满足普遍的欧姆定律 推动力与流之间的关系 24 25 电源电动势小于路端电压 被充电 充电 放电 理解与记忆 电源电动势大于路端电压 可放电 26 理想电源 实际电源 理想电源 内阻 特性 即 无论充放电 电流大小即 电源提供的路端电压恒定 恒压源 缺点 电源提供的电压与电流有关 27 电源的充 放电功率 放电 充电 28 四 闭合回路的电流强度和输出功率 1 电流强度 考虑最简单的电源放电回路 利用已有公式 R两端电压 闭合回路 全电路 欧姆定律 29 2 输出功率及匹配条件 Poutmax 负载电阻与电源的匹配条件 电源最大输出功率条件 问题 在实际应用中是否总是追求最大输出功率 30 五 稳恒电路导体中的电荷和电流线 问题 静电平衡电荷分布在表面 稳恒电流电荷分布特性 1 电荷分布 研究方法 从满足的条件分析 a 时的导体电流稳恒条件 31 b 分析 均匀导体 非均匀导体 在右图中的电流线管内 通过阴影闭合面的电通量 32 不同的非均匀情况 不连续 33 稳恒电流导体表面是否存在电荷 2 稳恒电流线性质 导体内电场变化 由稳恒电流线性质分析 34 问题 稳恒电流线平行导体表面的应用 q表面如何分布 q表面使E电极强的地方减小E电极弱的地方增加 不平行 但此时导体内J E 35 相同之处 电场不随时间改变 满足高斯定理 满足环路定理 是保守场 可引入电势概念 六 静电场和稳恒电场比较 不同之处 电场产生源 稳恒电场由运动电荷产生 电荷分布不随时间改变 静电场由静止电荷产生 电场做功 稳恒电场对运动电荷做功 稳恒电路中有能量转移 静电场中电荷