物理直流电路学习教案VIP

1、会计学1物理物理(wl)直流电路直流电路第一页，共45页。若在若在t时间内，通过时间内，通过(tnggu)导体任一截面的电量为导体任一截面的电量为q，则电流强度定义为则电流强度定义为:电流强度的单位是安培，符号电流强度的单位是安培，符号A。国际单位制规定，在真空中的两根相距国际单位制规定，在真空中的两根相距1m的无限长细直导线中的无限长细直导线中通以相同的电流，当每根导线单位长度（通以相同的电流，当每根导线单位长度（1m）上所受到的力）上所受到的力为为2 10 7N时，导线中的电流强度为时，导线中的电流强度为1A。 某一时刻的瞬时电流强度：某一时刻的瞬时电流强度： 第2页/共45页第二页，共4

2、5页。导体内任一点处，取一微小面积导体内任一点处，取一微小面积 S，使，使 S与该处电场强度与该处电场强度E的方向垂的方向垂直直(chuzh)，如果通过，如果通过 S的电流强的电流强度为度为 I：导体内任一点的电流密度方向导体内任一点的电流密度方向(fngxing)均与该点的电场强均与该点的电场强度方向度方向(fngxing)相同。因此电流密度的矢量式为：相同。因此电流密度的矢量式为： 第3页/共45页第三页，共45页。 如果截面如果截面(jimin)元的法线方元的法线方向与该点电场方向成一夹角向与该点电场方向成一夹角 ，则有：则有：dd cosIS dcos dSIS SS =第4页/共45

3、页第四页，共45页。 如果导体中存在着各种载流子（电荷如果导体中存在着各种载流子（电荷(dinh)携带者），携带者），具有不同的数密度具有不同的数密度n、电量（以、电量（以q表示）及漂移速度表示）及漂移速度u，则导体，则导体中某处的总电流密度为：中某处的总电流密度为：例如，铜导线中的电流密度例如，铜导线中的电流密度=2.0106A/m2，铜导线的，铜导线的n值值约为约为8.51028/m3，可计算，可计算(j sun)得出得出6428192.0 101.5 10 m s8.5 101.6 10une 可见，电子的漂移速度是非常缓慢的。电子的定向漂移可见，电子的漂移速度是非常缓慢的。电子的定向漂

4、移速度与电流在导体中的传导速度不同，后者实际上是电场在速度与电流在导体中的传导速度不同，后者实际上是电场在导体中的传播速度。导体中的传播速度。第5页/共45页第五页，共45页。意义：导体中任一点的电流密度与该点的电场强度意义：导体中任一点的电流密度与该点的电场强度(qingd)成正比，两者具有相同的方向成正比，两者具有相同的方向 第6页/共45页第六页，共45页。有外电场有外电场(din chng)时，电解质中的正负离子在电场时，电解质中的正负离子在电场(din chng)力作用下作定向迁移，形成电流。正负离子所受阻力与力作用下作定向迁移，形成电流。正负离子所受阻力与运动速度成正比。最后阻力和

5、电场运动速度成正比。最后阻力和电场(din chng)力相等，离子便力相等，离子便达到了某个恒定的定向运动速度，这个速度称为迁移速度。正达到了某个恒定的定向运动速度，这个速度称为迁移速度。正离子的离子的u为：为： Z为正离子价数，为正离子价数，Ze为正离子的电量为正离子的电量(dinling)，k为阻力系为阻力系数。数。同样，对负离子有：同样，对负离子有：第7页/共45页第七页，共45页。通常通常(tngchng)定义单位场强下的迁移速度为离子的迁移率。正、定义单位场强下的迁移速度为离子的迁移率。正、负离子的迁移率分别用负离子的迁移率分别用和和表示：表示：第8页/共45页第八页，共45页。 如

6、果如果(rgu)Z=Z= Z，电解质中正、负离子的数密度均为，电解质中正、负离子的数密度均为n，则可知电解质中的电流密度为：则可知电解质中的电流密度为： =nZeu nZeu=Zne(+)E，或：=E 当这些正、负离子分别到达两个当这些正、负离子分别到达两个(lin )极板时，把它极板时，把它们的电荷交给极板而成为中性原子或原子团，而这些原子或们的电荷交给极板而成为中性原子或原子团，而这些原子或原子团的化学性质是不稳定的，还要和溶液或电极发生化学原子团的化学性质是不稳定的，还要和溶液或电极发生化学反应，并在电极上析出物质或使极板被腐蚀。反应，并在电极上析出物质或使极板被腐蚀。 第9页/共45页

7、第九页，共45页。为了维持恒定电流就必须有非静电为了维持恒定电流就必须有非静电力存在，用它来克服静电场力做功力存在，用它来克服静电场力做功，把电荷，把电荷(dinh)沿闭合路径由沿闭合路径由B送送回回A。这时就把其他形式的能量（。这时就把其他形式的能量（非静电场的）转化为电荷非静电场的）转化为电荷(dinh)的的电势能了。电势能了。 电源（电源（electric source）第10页/共45页第十页，共45页。EN非静电力，即非静电力的场强。非静电力，即非静电力的场强。ES静电性场强；静电性场强；在外电路中只有静电场在外电路中只有静电场ES。电源内部的总场强电源内部的总场强E=ES+EN，E

8、N与与ES与的方向相反。与的方向相反。移动电荷移动电荷q绕闭合回路一周绕闭合回路一周(y zhu)电场力做功：电场力做功：dd dSNNAqqqABABElElEl定义单位正电荷通过电源内部定义单位正电荷通过电源内部(nib)由电源负极移到正极时非由电源负极移到正极时非静电力所做的功叫做电源电动势（静电力所做的功叫做电源电动势（electromotive force）, E。 第11页/共45页第十一页，共45页。由于由于EN只存在于电源内部，将上式改写成绕闭合回路一周只存在于电源内部，将上式改写成绕闭合回路一周(y zhu)的环路积分，积分值不变，即：的环路积分，积分值不变，即： 表明：电源

9、的电动势在数值上等于移动单位正电荷绕闭合回路一周表明：电源的电动势在数值上等于移动单位正电荷绕闭合回路一周(y zhu)的过程中非静电力做的功。的过程中非静电力做的功。 EN沿闭合路径的环路积分不为零，这说明非静电力与静电力有沿闭合路径的环路积分不为零，这说明非静电力与静电力有着本质的差别。着本质的差别。电动势的单位电动势的单位(dnwi)是：是：V（伏特）（伏特）第12页/共45页第十二页，共45页。在恒定电流条件下，电路上各点的电势值是确定的，每一元件两在恒定电流条件下，电路上各点的电势值是确定的，每一元件两端的电势差也是恒定的。因此，可以采用电势升、降的办法端的电势差也是恒定的。因此，可

10、以采用电势升、降的办法(bnf)来分析电路。现以电势降为准，即沿着选定的走向，当越来分析电路。现以电势降为准，即沿着选定的走向，当越过某一元件时发生电势降，则其值记为正数，若发生电势升，则过某一元件时发生电势降，则其值记为正数，若发生电势升，则其值记为负数，把它看作负的电势降。其值记为负数，把它看作负的电势降。 第13页/共45页第十三页，共45页。按电势按电势(dinsh)降落，降落，A点与点与F点的电势点的电势(dinsh)差差为：为： 111 112232 221()()AFUUI RI rI RI RI rEE或表示或表示(biosh)为：为： 111 112232 212()()AF

11、UUI RI rI RI RI rEE第14页/共45页第十四页，共45页。第15页/共45页第十五页，共45页。 在图所示的电路在图所示的电路(dinl)中，已知中，已知E1=12V，r1=0.2，E2=6V，r2=0.1，R1=1.4，R2=2.3。求：（。求：（a）电）电路路(dinl)中的电流；（中的电流；（b）A、B两点间的电势差。两点间的电势差。 （a）单一回路电路）单一回路电路(dinl)，通过，通过各串联元件的电流强度相同，设为各串联元件的电流强度相同，设为I。E =IR1264.5A1.42.30.20.1IRE第16页/共45页第十六页，共45页。（b）循路径）循路径(lj

12、ng)AE2CR2B计计算算A、B间的电势差：间的电势差： 22() 4.5 (2.30.1)( 6) 4.8VABUUIRIr E即即B点电势点电势(dinsh)高于高于A点电势点电势(dinsh)。若循路径若循路径AE1DR1B计算，结果也一样。计算，结果也一样。第17页/共45页第十七页，共45页。汇合于节点的各电流强度的代数和为零，也称节点电流定律：汇合于节点的各电流强度的代数和为零，也称节点电流定律：第18页/共45页第十八页，共45页。3120III1230III第19页/共45页第十九页，共45页。 沿任一闭合回路中电动势的代数和等于沿任一闭合回路中电动势的代数和等于(dngy)

13、回路中电阻上电回路中电阻上电势降落的代数和，也称回路电压定律：势降落的代数和，也称回路电压定律：使用时，应事先任意选定一绕行方向：使用时，应事先任意选定一绕行方向： 若电阻中电流与绕行方向相同，电势降落为若电阻中电流与绕行方向相同，电势降落为+IR，反之，反之(fnzh)，电势降落为，电势降落为IR； 若电动势指向与绕行方向一致，电动势的值取为若电动势指向与绕行方向一致，电动势的值取为+E，反之，反之(fnzh)，取为，取为E。 第20页/共45页第二十页，共45页。111 114331I RI rI RI RE33222 22I RI RI r E第21页/共45页第二十一页，共45页。应用

14、基尔霍夫定律一般步骤：应用基尔霍夫定律一般步骤： 根据电路图和题意，先标定各支路电流的方向。根据电路图和题意，先标定各支路电流的方向。 对对n个节点，按第一定律列出个节点，按第一定律列出n1个独立的节点电流方程。个独立的节点电流方程。 对电路中的所有各支路分别划分归入相应的回路，按第二定律要对电路中的所有各支路分别划分归入相应的回路，按第二定律要求写出独立的回路电压方程。求写出独立的回路电压方程。 4. 根据基尔霍夫第一、第二定律列出的独立方程个数应等于未知根据基尔霍夫第一、第二定律列出的独立方程个数应等于未知数的个数。数的个数。5. 解方程。解出的电流若是负值，说明实际解方程。解出的电流若是

15、负值，说明实际(shj)电流方向与原先电流方向与原先标定的方向相反；解出的结果为正值，说明实际标定的方向相反；解出的结果为正值，说明实际(shj)电流方向电流方向与标定的方向相同。与标定的方向相同。第22页/共45页第二十二页，共45页。 图示的电路中，已知图示的电路中，已知E1=6V，r1=0.5，E2=1.5V，r2=1， R1=4.5，R2=9，R3=10，R4=5。求各支路。求各支路(zh l)中中的电流。的电流。 （1）标定各支路）标定各支路abcd、aed、ad的的电流分别为电流分别为I1、I2、I3，其方向如图。，其方向如图。（2）按基尔霍夫第一定律，对于节）按基尔霍夫第一定律，

16、对于节点点(ji din)d：（3）选定逆时针方向为绕行方向，）选定逆时针方向为绕行方向，对于回路对于回路abcd有：有：1230III3314111 11I RI RI RI r E第23页/共45页第二十三页，共45页。对于回路对于回路adea有：有：将具体将具体(jt)数值代入，经整理得：数值代入，经整理得：222 2332I RI rI RE123132300.60.15IIIIIII解方程得：解方程得： ， ， 。I2为负值，说明为负值，说明(shumng)I2的实际方向与原先标定方向相反的实际方向与原先标定方向相反。10.35AI 20.1AI 30.25AI 第24页/共45页第

17、二十四页，共45页。电子若要逸出金属表面，必须克服这个电场力以及金属内正电子若要逸出金属表面，必须克服这个电场力以及金属内正离子的吸引力，也就是要做功离子的吸引力，也就是要做功(zugng)才能逸出金属表面，才能逸出金属表面，这个功称为电子逸出功（这个功称为电子逸出功（electronic work function）,以以W表示表示：U称为逸出电势称为逸出电势，它在数值上等于单位电荷的逸出功，而不是单位电荷的，它在数值上等于单位电荷的逸出功，而不是单位电荷的电势能。电势能。逸出电势是与金属性质有关的量。逸出电势是与金属性质有关的量。对大多数纯金属，对大多数纯金属，U值在值在3V 4.5V之间

18、。之间。 第25页/共45页第二十五页，共45页。当温度相同的两种不同金属相接触时，在两种金属的接触表面当温度相同的两种不同金属相接触时，在两种金属的接触表面(biomin)上会出现等量异号的电荷，因而在接触表面上会出现等量异号的电荷，因而在接触表面(biomin)处产生电势差。处产生电势差。 由于两种金属的由于两种金属的电子逸出电电子逸出电势不同势不同可以产生接触电势差：可以产生接触电势差： UAB=UB UA 第26页/共45页第二十六页，共45页。 由于两种金属中的电子数密由于两种金属中的电子数密度不同可以度不同可以(ky)产生接触电势产生接触电势差：差：lnAABBkTnUen总的接触

19、总的接触(jich)电势电势差：差：lnAABABABBABkTnUUUUUen第27页/共45页第二十七页，共45页。由于由于T1 T2，所以，所以UAB(T1) UAB(T2)，回路中的电动势应为，回路中的电动势应为UAB(T1)和和UAB(T2)的代数和：的代数和：121212()( ,)()()lnAABABABBk TTnT TUTUTenE第28页/共45页第二十八页，共45页。 、 为不同温度下的为不同温度下的珀耳帖电动势（珀耳帖电动势（Peltier electromotive force）。珀耳帖电动势大小的数量级约为。珀耳帖电动势大小的数量级约为10 2V 10 3V。 1

20、lnABkTnen2lnABkTnen 式中式中a和和b为与金属为与金属A、B有关有关(yugun)的特征常量，称为的特征常量，称为温差电系数（温差电系数（thermoelectric coefficient）。金属的温差电系数）。金属的温差电系数的值不大，一般为十万分之几伏特每度的值不大，一般为十万分之几伏特每度 。第29页/共45页第二十九页，共45页。1.测量范围很广，可以测量范围很广，可以(ky)在在200C到到2000C之间的之间的范围内使用。范围内使用。2.灵敏度和准确度高，可灵敏度和准确度高，可达达103K以下。以下。3.由于受热面积和热容量由于受热面积和热容量都可以都可以(ky

21、)设计得很小，所以设计得很小，所以用温差电偶能够测量很小范围内的温度，或微小的热量变化，用温差电偶能够测量很小范围内的温度，或微小的热量变化，这给研究化学反应和小生物体的温度变化带来很大方便。这给研究化学反应和小生物体的温度变化带来很大方便。这个优点是一般水银温度计不能与之相比的。这个优点是一般水银温度计不能与之相比的。4.配合适当的电子电路装置，容易实现温度的遥测、自动记录配合适当的电子电路装置，容易实现温度的遥测、自动记录和遥控。和遥控。第30页/共45页第三十页，共45页。在某一时刻在某一时刻t，电容器的电量为，电容器的电量为q，电路中的电流为电路中的电流为i1，电容器两极板，电容器两极

22、板间的电势差为间的电势差为uC， 110Ci RuE1d0dqqRtCE1ddqtCqRCE第31页/共45页第三十一页，共45页。Q为电容器两极板电势差等于为电容器两极板电势差等于(dngy)电源的端电压时所带的电量。电源的端电压时所带的电量。 第32页/共45页第三十二页，共45页。当电路经历时间当电路经历时间 后，后，电容电容C极板间的电势差由极板间的电势差由0上升到电源电动势上升到电源电动势E的的63，或者是充电电流下降到最大值的或者是充电电流下降到最大值的37。当电路经历时间当电路经历时间5后，充电实际已经基本后，充电实际已经基本(jbn)结束。结束。 第33页/共45页第三十三页，

23、共45页。充电过程结束充电过程结束(jish)后，将图中的后，将图中的开关开关K扳向扳向2，电容器开始放电。注，电容器开始放电。注意到意到E=0，分析可得：，分析可得：220Ci Ru第34页/共45页第三十四页，共45页。第35页/共45页第三十五页，共45页。 大多数动物以及大多数动物以及(yj)人体的神经和肌肉细胞膜内外存在着电势人体的神经和肌肉细胞膜内外存在着电势差。差。 在通常情况下，细胞处于未受刺激静息状态，维持正常在通常情况下，细胞处于未受刺激静息状态，维持正常的新陈代谢，细胞膜两侧存在的电势差。的新陈代谢，细胞膜两侧存在的电势差。 静息电位都表现为膜内比膜外低（内负外正），静息

24、电位都表现为膜内比膜外低（内负外正），总是稳定在总是稳定在一定水平上，一般为一定水平上，一般为 100mV 50mV之间的某一值之间的某一值。 细胞的这种电势状态又称为细胞的这种电势状态又称为极化（极化（polarization）。）。 第36页/共45页第三十六页，共45页。 细胞膜某一点受刺激时，在静息电位基础上会发生细胞膜某一点受刺激时，在静息电位基础上会发生(fshng)一次短暂的扩散性的电位变化而产生兴奋。一次短暂的扩散性的电位变化而产生兴奋。 这样的电位变化称为动作电位（这样的电位变化称为动作电位（action potential）。要产）。要产生动作电位，膜电位须要超过某一临界值

25、，这一临界值称为阈生动作电位，膜电位须要超过某一临界值，这一临界值称为阈电位（电位（threshold potential）。）。 兴奋部位电位由极化状态变为反极化状态（内正外负），兴奋部位电位由极化状态变为反极化状态（内正外负），其电势高于静息部位，导致局部的电荷移动，即产生局部电流。其电势高于静息部位，导致局部的电荷移动，即产生局部电流。 此时电流的方向是膜外电流由静息部位流向兴奋部位、膜此时电流的方向是膜外电流由静息部位流向兴奋部位、膜内由兴奋部位流向静息部位，造成膜内电位升高。内由兴奋部位流向静息部位，造成膜内电位升高。 当这样当这样(zhyng)的电位变化超过阈电位时，又产生新的动的

26、电位变化超过阈电位时，又产生新的动作电位。这个过程逐步逐点地传递下去，就使兴奋（神经冲动）作电位。这个过程逐步逐点地传递下去，就使兴奋（神经冲动）也传至其他细胞。也传至其他细胞。第37页/共45页第三十七页，共45页。第38页/共45页第三十八页，共45页。第39页/共45页第三十九页，共45页。轴浆电流轴浆电流ii通过轴浆电阻通过轴浆电阻ri，膜电流，膜电流im一部分通过膜电阻另一部一部分通过膜电阻另一部分通过膜电容分通过膜电容Cm。根据。根据(gnj)基尔霍夫定律和电荷守恒定律，基尔霍夫定律和电荷守恒定律，可建立以下关于膜电位可建立以下关于膜电位E 随时间随时间t 和空间距离和空间距离x变化的方程：变化的方程：mirrmmr C令令 ，为空间常数，为空间常数， ，为时间常数：，为时间常数：第40页/共45页第四十页，共45页。 当膜电流当膜电流(dinli)im使膜电容使膜电容Cm充电完毕时，膜电位充电完毕时，膜电位E不再随时间不再随时间变化，变化， 神经电缆方程为：神经电缆方程为： 此时此时(c sh)神经电缆方