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高中物理竞赛——稳恒电流基本知识


高中物理竞赛——稳恒电流基本知识
一、欧姆定律

1、电阻定律

a、电阻定律 R = ρ l

S

b、金属的电阻率 ρ = ρ 0(1

α t)

2、欧姆定律

a、外电路欧姆定律 U = IR ,顺着电流方向电势降落

r />
b、含源电路欧姆定律

在如图 8-1 所示的含源电路中,从 A 点到 B 点,遵照原则:①遇电阻,顺电流方 向电势降落(逆电流方向电势升高)②遇电源,正

极到负极电势降落,负极到正极电势升高(与电流方向无

关) ,可以得到以下关系

UA ? IR ? ε

? Ir = UB

这就是含源电路欧姆定律。

c、闭合电路欧姆定律

在图 8-1 中,若将 A、B 两点短接,则电流方向只可能向左,含源电路欧姆定律 成为

UA

IR ? ε

Ir = UB = UA

即 ε

= IR

Ir ,或 I = ?

R?r

这就是闭合电路欧姆定律。值得注意的的是:①对于复杂电路, “干路电流 I” 不能做绝对的理解(任何要考察的一条路均可视为干路) ;②电源的概念也是相 对的,它可以是多个电源的串、并联,也可以是电源和电阻组成的系统;③外电 阻 R 可以是多个电阻的串、并联或混联,但不能包含电源。

二、复杂电路的计算

1、戴维南定理:一个由独立源、线性电阻、线性受控源组成的二端网络,可以 用一个电压源和电阻串联的二端网络来等效。 (事实上,也可等效为“电流源和 电阻并联的的二端网络”——这就成了诺顿定理。 )

应用方法: 其等效电路的电压源的电动势等于网络的开路电压,其串联电阻等于 从端钮看进去该网络中所有独立源为零值时的等效电阻。 . . .

2、基尔霍夫(克希科夫)定律

a、基尔霍夫第一定律:在任一时刻流入电路中某

一分节点的电流强度的总和,等于从该点流出的电流强

度的总和。 ://www.wendangxiazai.com/b-a95aab4afe4733687e21aa4f.htmlar 例如,在图 8-2 中,针对节点 P ,有

I2

I3 = I1

基尔霍夫第一定律也被称为“节点电流定律” ,它

是电荷受恒定律在电路中的具体体现。

对于基尔霍夫第一定律的理解,近来已经拓展为:

流入电路中某一“包容块”的电流强度的总和,等于从

该“包容块”流出的电流强度的总和。

b、基尔霍夫第二定律:在电路中任取一闭合回路,并规定正的绕行方向,其中 电动势的代数和,等于各部分电阻(在交流电路中为阻抗)与电流强度乘积的代 数和。

例如,在图 8-2 中,针对闭合回路① ,有

ε 3 ? ε 2 = I3 ( r3

R2

r2 ) ? I2R2

基尔霍夫第二定律事实上是含源部分电路欧姆定律的变体 (☆同学们可以列方程 UP = ? = UP 得到和上面完全相同的式子) 。

3、Y?Δ 变换

在难以看清串、并联关系的电路中,进行“Y 型?Δ 型”的相互转换常常是必要 的。在图 8-3 所示的电路中

☆同学们可以证明Δ → Y 的结

论?

Rc =

Rb =

Ra = R1R3R1?R2?R3R2R3R1?R2?R3R1R2

R1?R2?R3

Y→Δ 的变换稍稍复杂一些,但我们仍然可以得到

R1 = RaRb?RbRc?RcRa Rb

R2 = RaRb?RbRc?RcRa Rc

R3 = RaRb?RbRc?RcRa Ra

三、电功和电功率

1、电源

使其他形式的能量转变为电能的装置。如发电机、电池等。发电机是将机械能转 变为电能; 干电池、 蓄电池是将化学能转变为电能; 光电池是将光能转变为电能; 原子电池是将原子核放射能转变为电能;在电子设备中,有时也把变换电能形式 的装置,如整流器等,作为电源看待。

电源电动势定义为电源的开路电压, 内阻则定义为没有电动势时电路通过电源所 遇到的电阻。据此不难推出相同电源串联、并联,甚至不同电源串联、并联的时 的电动势和内阻的值。

例如,电动势、内阻分别为ε 1 、r1 和 ε 2 、r2 的电源并联,构成的新电源

的电动势ε 和内阻 r 分别为(☆师生共同推导?)

ε

= ?1r2??2r1 r1?r2

r = r1r2

r1?r2

2、电功、电功率

电流通过电路时,电场力对电荷作的功叫做电功 W。单位时间内电场力所作的功 叫做电功率 P 。

计算时,只有 W = UIt 和 P = UI

是完全没有条件的,对于不含源的纯电阻,

电功和焦耳热重合,电功率则和热功率重合,有 W = IRt = Ut 和 P = IR =U 。 2222

RR

对非纯电阻电路,电功和电热的关系依据能量守恒定律求解。

四、物质的导电性

在不同的物质中,电荷定向移动形成电流的规律并不是完全相同的。

1、金属中的电流

即通常所谓的不含源纯电阻中的电流,规律遵从“外电路欧姆定律” 。

2、液体导电

能够导电的液体叫电解液(不包括液态金属) 。电解液中离解出的正负离子导电 是液体导电的特点(如:硫酸铜分子在通常情况下是电中性的,但它在溶液

?里受水分子的作用就会离解成铜离子 Cu2 和硫酸根离子 SO2 它们在电场力的作 4,

用下定向移动形成电流) 。

在电解液中加电场时,在两个电极上(或电极旁)同时产生化学反应的过程叫作 “电解” 。电解的结果是在两个极板上(或电极旁)生成新的物质。

液体导电遵从法拉第电解定律——

法拉第电解第一定律: 电解时在电极上析出或溶解的物质的质量和电流强度、跟 通电时间成正比。表达式:m = kIt = KQ (式中 Q 为析出质量为 m 的物质所需 要的电量;K 为电化当量,电化当量的数值随着被析出的物质种类而不同,某种 物质的电化当量在数值上等于通过 1C 电量时析出的该种物质的质量,其单位为 kg/C。 )

法拉第电解第二定律: 物质的电化当量 K 和它的化学当量成正比。某种物质的化 学当量是该物质的摩尔质量 M(克原子量)和它的化合价 n 的比值,即 K = M

Fn ,而 F 为法拉第常数,对任何物质都相同,F = 9.65×10C/mol 。 将两个定 律联立可得:m = MQ 。 Fn4

3、气体导电

气体导电是很不容易的,它的前提是气体中必须出现可以定向移动的离子或电 子。按照“载流子”出现方式的不同,可以把气体放电分为两大类——

a、被激放电

在地面放射性元素的辐照以及紫外线和宇宙射线等的作用下, 会有少量气体分子 或原子被电离,或在有些灯管内,通电的灯丝也会发射电子,这些“载流子”均 会在电场力作用下产生定向移动形成电流。这种情况下的电流一般比较微弱,且 遵从欧姆定律。典型的被激放电情形有

b、自激放电

但是,当电场足够强,电子动能足够大,它们和中性气体相碰撞时,可以使中性 分子电离,即所谓碰撞电离。同时,在正离子向阴极运动时,由于以很大的速度

撞到阴极上,还可能从阴极表面上打出电子来,这种现象称为二次电子发射。碰 撞电离和二次电子发射使气体中在很短的时间内出现了大量的电子和正离子, 电 流亦迅速增大。这种现象被称为自激放电。自激放电不遵从欧姆定律。

常见的自激放电有四大类:辉光放电、弧光放电、火花放电、电晕放电。

4、超导现象

据金属电阻率和温度的关系,电阻率会随着温度的降低和降低。当电阻率降

为零时,称为超导现象。电阻率为零时对应的温度称为临界温度。超导现象首先 是荷兰物理学家昂尼斯发现的。

超导的应用前景是显而易见且相当广阔的。 但由于一般金属的临界温度一般都非 常低,故产业化的价值不大,为了解决这个矛盾,科学家们致力于寻找或合成临 界温度比较切合实际的材料就成了当今前沿科技的一个热门领域。 当前人们的研 究主要是集中在合成材料方面,临界温度已经超过 100K,当然,这个温度距产 业化的期望值还很远。

5、半导体

半导体的电阻率界于导体和绝缘体之间, 且ρ 值随温度的变化呈现 “反常” 规律。

组成半导体的纯净物质这些物质的化学键一般都是共价键, 其稳固程度界于离子 键和金属键之间,这样,价电子从外界获得能量后,比较容易克服共价键的束缚 而成为自由电子。当有外电场存在时,价电子移动,同时造成“空穴” (正电) 的反向移动,我们通常说,半导体导电时,存在两种载流子。只是在常态下,半 导体中的载流子浓度非常低。

半导体一般是四价的, 如果在半导体掺入三价元素,共价键中将形成电子缺乏的 局面,使“空穴”载流子显著增多,形成 P 型半导体。典型的 P 型半导体是硅中 掺入微量的硼。如果掺入五价元素,共价键中将形成电子多余的局面,使电子载 流子显著增多,形成 N 型半导体。典型的 N 型半导体是硅中掺入微量的磷。

如果将 P 型半导体和 N 型半导体烧结,由于它们导电的载流子类型不同,将会随 着组合形式的不同而出现一些非常独特的物理性质, 如二极管的单向导电性和三 极管的放大性。


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