直流电及其特点-普通物理学知识结构分析

4.5.1 结构图

1.电流:电荷有规则的移动。

2.电流方向:习惯上将正电荷的移动方向作为电流方向,而负电荷的移动等效于正电荷的反方向移动。

3.电流强度I:表示电流的强弱。

具体表达为单位时间内通过已知面积的电量:

4.直流电:I的强弱不随时间变化,I的流动方向也不改变的电流。

4.5.2 简单电路

1.欧姆定律(部分电路):要产生电流,导体两端必须有电势差(即电压)。

式中,V1和V2为导体两端不同的电势,R为导体的电阻。

(1)电阻R

式中,S为导体的横截面积,l为导体的长度,ρ为导体的电阻率。

ρ=ρ0(1+αt)

式中:ρ0为导体在0℃时的电阻率;α为电阻温度系数;t为电阻随温度变化的时间。

①电阻R的串联:

R=R1+R2+…+Rn

②电阻R的并联:

③惠斯通电桥:常用的电阻测量仪器。

(2)欧姆定律微分形式:

j=σE

式中,j为电流密度矢量;σ为电导率,是电阻率ρ的倒数;E为电场强度矢量,由导体表面的电荷分布产生。

说明:在实际中遇到大块导体,各点的电流强弱和电流方向都可能不同,因此引入电流密度矢量这个概念。

图4-17

图4-17中:dS为面积元;n0为面积元的法线方向,与j形成夹角θ;jn为j的法向分量。jn=jcosθ=dI/dS,在数值上,jn等于通过单位面积的电流强度。

(3)欧姆定律微观形式:

式中,e为电子的电量;m为电子的质量;n0为单位体积中的自由电子数为电子的平均自由路程;为平均热运动速率。

说明:用分子运动论解释欧姆定律。

(4)电功和电功率

①电功

说明:上式在纯电路中依然适用。(www.xing528.com)

2.欧姆定律(闭合电路)

式中,I为闭合电路的电流强度;ε为电源电动势;R为闭合电路外电阻;r为电源内电阻。

(1)ε=V1-V2,表示电路开路时电源两端的电压差。

(2)电源在外电路释放的功率:

(3)电源在外电路释放的最大功率(R=r):

(4)电势计原理:

电源两端的电压不等于电动势。

当电源中没有电流时,电势计仍然能够测量电源两端的电压。

4.5.3 复杂电路

1.复杂电路的支路电流法

(1)基尔霍夫第一定律

根据电荷守恒定律,在一个任意闭合面S内,单位时间里流进的电量必定等于流出的电量,如图4-18所示。

I4=I1+I2+I3

图4-18 基尔霍夫第一定律

图4-19 基尔霍夫第二定律

(2)基尔霍夫第二定律

在一个任意闭合回路中,电动势的代数和等于回路各支路电阻上电压的代数和,如图4-19所示。

2.复杂电路的回路电路法

对于一个复杂电路,如果有三个回路,应用回路电流分别列出它们的电压方程式,即可解决任意形式的电路问题。

这种方法比支路电流法解答电路问题更加简化(略)。

4.5.4 电现象

1.金属导电(电子导电)

(1)逸出功和热电子发射

(2)接触电现象和应用

(3)温差电现象

①塞贝克效应

②珀耳帖效应

③汤姆逊效应和应用

2.电介质导电(离子导电)

3.气体导电(电子导电和离子导电)