《稳恒电流》课件

稳恒电流物理学的核心概念电学理论基础课程目标1掌握稳恒电流基本概念2理解欧姆定律及应用熟悉电路分析方法电流的基本概念电荷运动电荷定向移动形成电流载流子金属中为自由电子方向正电荷移动方向为电流方向电流强度定义数学表达I=dq/dt单位安培(A)物理意义单位时间通过横截面的电量电流密度矢量定义单位面积上的电流强度方向性与电流方向一致的矢量分布特性描述电流空间分布情况电流密度矢量的数学表达表达式j=ρv电荷密度ρ表示电荷密度漂移速度v表示电荷的漂移速度电流的连续性方程物理意义电荷守恒定律的表现形式1数学表达∇·j+∂ρ/∂t=02应用场景分析电流分布变化3稳恒电流的定义1时间不变性电流强度与时间无关2路径固定电流路径保持不变3稳定性电流系统处于平衡状态稳恒电流的基本性质恒定性电流强度不随时间变化闭合性电流必须在闭合回路中流动热效应电流通过导体产生热量磁效应电流周围产生磁场稳恒电流的闭合性123必要条件电流必须在闭合回路中流动物理原因电荷不能在导体端点累积实际应用电路设计必须确保闭合稳恒电流场中的电荷分布1导体表面表面存在自由电荷2导体内部体电荷密度为零3异质界面可能存在电荷积累稳恒电场概念定义稳恒电流产生的电场特点方向与电流方向一致强度与电流密度成正比稳恒电场与静电场的比较稳恒电场非保守场做功与路径有关静电场保守场做功与路径无关稳恒电场的高斯定理1应用计算对称分布电场2表达式∮E·dS=q/ε₀3物理意义闭合曲面电通量与内部电荷量关系稳恒电场的环路定理数学表达∮E·dl≠0非保守性环路积分不为零与静电场区别静电场环路积分为零导体内的稳恒电场方向与电流方向一致强度E=ρj，与电流密度成正比影响因素与导体电阻率有关非静电力的作用1电源中化学能转化为电能2导体中克服电阻产生热量3电动机中电能转化为机械能欧姆定律的微观解释1电子碰撞自由电子与晶格碰撞2漂移速度平均速度与电场强度成正比3电阻形成碰撞导致能量损失形成电阻欧姆定律的宏观形式U电压I电流R电阻U=IR关系式欧姆定律的微分形式表达式j=σE电导率σ表示材料电导率矢量关系电流密度与电场强度成正比电阻的概念1定义阻碍电流的物理量2单位欧姆(Ω)3计算公式R=ρL/A电阻率和电导率电阻率(ρ)单位体积导体的电阻单位：Ω·m电导率(σ)电阻率的倒数单位：S/m温度对电阻的影响温度(°C)金属电阻半导体电阻电源的概念定义提供电能的装置种类化学电源、物理电源功能将其他形式能量转化为电能电动势的定义定义非静电力做功的物理量单位伏特(V)计算E=W/q电源的内阻定义电源内部的阻碍电流作用1测量短路法测量内阻2影响降低输出电压3闭合电路欧姆定律表达式I=E/(R+r)电动势E表示电源电动势总电阻R外阻，r内阻电路的串联和并联串联总电阻R=R₁+R₂+...电流相同，电压分配并联总电阻1/R=1/R₁+1/R₂+...电压相同，电流分配电压表和电流表的使用电压表并联连接理想内阻无穷大电流表串联连接理想内阻为零基尔霍夫第一定律节点定律流入节点电流等于流出电流1数学表达∑I=02物理基础电荷守恒定律3基尔霍夫第二定律1回路定律闭合回路电动势等于电压降2数学表达∑E=∑IR3物理基础能量守恒定律电路的等效变换星形(Y)连接三端点连接到一个公共点三角形(Δ)连接三个电阻构成闭合三角形变换关系可通过公式互相转换惠斯通电桥测量未知电阻的精密方法平衡条件：R₁/R₂=R₃/R₄电位差计原理工作原理比较未知电动势与标准电动势平衡方法调节滑动触点使电流计示数为零测量精度高精度测量电动势和电压稳恒电流的热效应现象电流通过导体产生热量原因电子与晶格碰撞能量转化应用电热器、保险丝、照明焦耳-楞次定律1数学表达Q=I²Rt2热功率P=I²R=UI3物理意义电能转化为热能的定量关系电功率的计算P功率UI计算公式I²R另一公式W单位电能的转换电→热能电炉、电热水器1电→光能灯泡、LED2电→机械能电动机3电→化学能电解、电池充电4金属导电的经典理论1自由电子气金属中的自由电子集体2电子碰撞电子与金属离子碰撞产生电阻3限制无法解释某些低温现象德鲁德模型1电子气模型自由电子如同气体分子2漂移速度电子在电场作用下定向运动3平均自由程电子两次碰撞间平均距离4碰撞频率单位时间内的碰撞次数金属导电的量子理论简介能带理论电子能量分布在能带中费米能级最高被占据能级导带和价带区分导体、绝缘体和半导体半导体的导电特性本征半导体纯净半导体材料电子和空穴共同导电杂质半导体掺杂后的半导体n型和p型两种PN结的原理结构p型和n型半导体界面势垒结区形成电势垒耗尽层载流子浓度极低的区域二极管的特性电压(V)电流(mA)晶体管的工作原理三极管的三个区域：发射极、基极、集电极电流放大作用：小电流控制大电流超导电现象临界温度低于临界温度电阻消失迈斯纳效应完全抗磁性库珀对电子成对形成超导电流应用强磁场、精密测量电解质溶液中的电流载流子正负离子离子迁移形成电流特点化学反应伴随电流电极处发生氧化还原反应法拉第电解定律1第一定律析出物质量与通过电量成正比2第二定律析出物质量与电化当量成正比3数学表达m=kIt=kQ气体放电现象1暗电流电流极小，不可见2辉光放电低压气体发光3电弧放电高温高亮度放电4火花放电瞬时高压放电等离子体概念定义高度电离的气体特性电导率高，对电磁场敏感应用等离子显示、核聚变稳恒电流的磁效应奥斯特实验电流产生磁场1环形磁场磁感线为同心圆2右手螺旋定则确定磁场方向3毕奥-萨伐尔定律表达式dB=(μ₀/4π)·(Idl×r̂/r²)电流元Idl表示电流元磁场计算计算电流产生的磁场安培环路定理1表达式∮B·dl=μ₀I2适用条件高度对称的磁场分布3应用计算螺线管、环形线圈磁场载流导线在磁场中受力公式F=ILBsinθ方向由左手定则确定应用电动机原理霍尔效应原理载流导体在磁场中产生横向电压应用磁场传感器、电流测量霍尔电压UH=BI/nqd稳恒电流的应用：电动机工作原理电流在磁场中受力1结构定子和转子2种类直流电机、交流电机3稳恒电流的应用：发电机原理电磁感应产生电流结构磁场中旋转的线圈应用发电厂、备用电源稳恒电流的应用：变压器原理电磁感应交变电流的电压变换结构