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1、大学物理学电子教案大学物理学电子教案武警学院教学课件武警学院教学课件电流、欧姆定律和电动势电流、欧姆定律和电动势10-1 电流电流 电流密度电流密度10-2 电阻率电阻率 欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式10-3 电源电源 电动势电动势10-4 全电路欧姆定律全电路欧姆定律复复 习习静电场的能量静电场的能量 能量密度能量密度静电场中的导体处于静电平衡时，其内部的场强为零，内部静电场中的导体处于静电平衡时，其内部的场强为零，内部没有电荷作定向的宏观运动。没有电荷作定向的宏观运动。如果把导体接在电源的两极上，如果把导体接在电源的两极上，则导体内任意两点之间将维持恒则导体内任意两点之间将维持恒定
2、的电势差，在导体内维持一个定的电势差，在导体内维持一个电场，导体内的电荷在电场力的电场，导体内的电荷在电场力的作用下作宏观的定向运动，形成作用下作宏观的定向运动，形成电流电流。第十章第十章恒定电流恒定电流Uv10-1 电流电流 电流密度电流密度一、电流一、电流1、形成电流的条件形成电流的条件在导体内有可以自由移动的电荷（载流子）在导体内有可以自由移动的电荷（载流子）在半导体中是电子或空穴在半导体中是电子或空穴在金属中是电子在金属中是电子在电解质溶液中是离子在电解质溶液中是离子在导体内要维持一个电场，或者说在导体两端要存在有在导体内要维持一个电场，或者说在导体两端要存在有电势差电势差2、电流的方
3、向、电流的方向SI正电荷移动的方向定义为正电荷移动的方向定义为电流的方向电流的方向电流的方向与自由电子移电流的方向与自由电子移动的方向是相反的。动的方向是相反的。3、 电流强度电流强度单位时间内通过任一截面的电量，叫做电流强度单位时间内通过任一截面的电量，叫做电流强度是表示电流强弱的物理量，是标量，用是表示电流强弱的物理量，是标量，用 I 表示。表示。单位：库仑单位：库仑/秒秒=安培安培国际单位制基本量国际单位制基本量毫安（毫安（mA）、微安（）、微安（ A）4、电流强度与电子漂移速度的关系、电流强度与电子漂移速度的关系n导体中自由电子的数密度导体中自由电子的数密度e电子的电量电子的电量vd假
4、定每个电子的漂移速度假定每个电子的漂移速度在时间间隔在时间间隔dt内，长为内，长为dl=vddt、横截面积为横截面积为S 的圆柱体内的的圆柱体内的自由电子都要通过横截面积自由电子都要通过横截面积S，所以此圆柱体内的自由电子所以此圆柱体内的自由电子数为数为nSvddt，电量为电量为dq=neSvddt通过此导体的电流强度为通过此导体的电流强度为1、引入电流密度的、引入电流密度的必必要性：要性：描述电流分布的物理描述电流分布的物理量量电流密度。电流密度。2、定义：定义：电流密度矢量电流密度矢量的方向为空间某点处正电的方向为空间某点处正电荷的运动方向荷的运动方向, , 它的大小等于单位时间它的大小等
5、于单位时间内该点附近垂直与电荷运动方向的单位内该点附近垂直与电荷运动方向的单位截面上所通过的电量。截面上所通过的电量。二、二、电流密度电流密度 电流密度与电荷运动速度的关系电流密度与电荷运动速度的关系设设q0vdtP3、电流强度与电流密度的关系、电流强度与电流密度的关系通过任意截面的电流通过任意截面的电流4、电流线、电流线在导体中引入的一种形象化的曲在导体中引入的一种形象化的曲线，用于表示电流的分布线，用于表示电流的分布规定：规定：曲线上每一点的切线方向曲线上每一点的切线方向与该点的电流密度方向相同；而任与该点的电流密度方向相同；而任一点的曲线数密度与该点的电流密一点的曲线数密度与该点的电流密
6、度的大小成正比度的大小成正比三、电流的三、电流的连续性方程连续性方程 恒定电流条件恒定电流条件根据电荷守恒定律，在单位时间内通过根据电荷守恒定律，在单位时间内通过闭合曲面向外流出的电荷，等于此闭合闭合曲面向外流出的电荷，等于此闭合曲面内单位时间所减少的电荷曲面内单位时间所减少的电荷1、电流的、电流的连续性方程连续性方程对于任意一个闭合曲面，在单位时间内从闭合曲面向外对于任意一个闭合曲面，在单位时间内从闭合曲面向外流出的电荷，即通过闭合曲面向外的总电流为流出的电荷，即通过闭合曲面向外的总电流为电流的连续性：电流的连续性：单位时间内通过闭合单位时间内通过闭合曲面向外流出的电荷曲面向外流出的电荷等于
7、此时间内闭合曲等于此时间内闭合曲面里电荷的减少。面里电荷的减少。电流连续电流连续性方程性方程2、恒定电流条件、恒定电流条件电荷不随时间变化电荷不随时间变化电流线连续地穿过闭合曲面电流线连续地穿过闭合曲面包围的体积，稳恒电流的电包围的体积，稳恒电流的电流线不可能在任何地方中断，流线不可能在任何地方中断，永远是连续的曲线。永远是连续的曲线。当导体中任意闭合曲面满足上式时，闭合曲面内没有电荷当导体中任意闭合曲面满足上式时，闭合曲面内没有电荷被积累起来，此时通过导体截面的电流是恒定的被积累起来，此时通过导体截面的电流是恒定的恒定恒定电流的条件电流的条件。1. 稳恒电流的电路必须是闭合的。稳恒电流的电路
8、必须是闭合的。2.导体表面电流密度矢量无法向分量。导体表面电流密度矢量无法向分量。当导体两端有电势差时，当导体两端有电势差时，导体中就有电流通过导体中就有电流通过一段导体中的电流一段导体中的电流I 与其与其两端的电势差两端的电势差U(=V1-V2)成成正比正比一段均匀电路的一段均匀电路的欧姆定律欧姆定律欧姆定律对金属或电解液成立欧姆定律对金属或电解液成立对于半导体、气体等不成立，对于对于半导体、气体等不成立，对于一段含源的电路也不成立一段含源的电路也不成立 G 电导（电导（S西门子）西门子）R=1/G电阻（电阻（欧姆）欧姆）1、欧姆定律、欧姆定律URI+_10-2 电阻率电阻率 欧姆定律的微分
9、形式欧姆定律的微分形式一、电阻率一、电阻率 欧姆（欧姆（Georg Simom Ohm，1787-1854） 德国物理学家，他从德国物理学家，他从1825年开始研究导电学年开始研究导电学问题，他利用电流的磁效应来测定通过导线问题，他利用电流的磁效应来测定通过导线的电流，并采用验电器来测定电势差，在的电流，并采用验电器来测定电势差，在1827年发现了以他名字命名的欧姆定律。年发现了以他名字命名的欧姆定律。电流和电阻这两个术语也是由欧姆提出的。电流和电阻这两个术语也是由欧姆提出的。2、电阻定律、电阻定律对于粗细均匀的导体，当导体的材料与温度一定时，导对于粗细均匀的导体，当导体的材料与温度一定时，导
10、体的电阻与它的长度体的电阻与它的长度l 成正比，与它的横截面积成正比，与它的横截面积S成反比成反比r r ：电阻率：电阻率g g =1/r r ：电导率：电导率3、电阻与温度的关系、电阻与温度的关系 叫作电阻的叫作电阻的温度系数温度系数，单位为，单位为K-1，与导体的材料有关。，与导体的材料有关。电阻率的数量级：电阻率的数量级：纯金属：纯金属：10-8W W .m 合金：合金：10-6W W .m半导体：半导体：10-510-6W W .m绝缘体：绝缘体：1081017W W .m4、应用：、应用：r r 小小用来作导线用来作导线r r 大大用来作电阻丝用来作电阻丝 小小制造电工仪表和标准电阻
11、制造电工仪表和标准电阻 大大金属电阻温度计金属电阻温度计二、超导体二、超导体2、超导现象的几个、超导现象的几个概念：概念：有些金属在某些温度下，有些金属在某些温度下，其电阻会突变为零。这其电阻会突变为零。这个温度称为超导的个温度称为超导的转变转变温度温度，上述现象称为，上述现象称为超超导现象导现象。在一定温度下。在一定温度下能产生零电阻现象的物能产生零电阻现象的物质称为质称为超导体超导体。1、超导现象的发现、超导现象的发现 超导体最早是由荷兰物理学家超导体最早是由荷兰物理学家昂昂尼斯尼斯于于1911年发现的。他利用液年发现的。他利用液态氦的低温条件，测定在低温下态氦的低温条件，测定在低温下电阻
12、随温度的变化关系，观察到电阻随温度的变化关系，观察到汞在汞在附近时，电阻突然减少到零，附近时，电阻突然减少到零，变成了变成了超导体超导体。在低温物理作出的杰出贡献，获在低温物理作出的杰出贡献，获得得1913年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。迄今为止，已发现迄今为止，已发现28种金属元素（地种金属元素（地球的常态下）以及合金和化合物具有球的常态下）以及合金和化合物具有超导电性。还有一些元素只高压下具超导电性。还有一些元素只高压下具有超导电性。提高超导临界温度是推有超导电性。提高超导临界温度是推广应用的重要关键之一。超导的特性广应用的重要关键之一。超导的特性及应用有着广阔的前景。及应用有着广阔的
13、前景。三、三、 欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式在导体中取一长为在导体中取一长为dl、横截面积为、横截面积为dS的小圆柱体，圆柱体的轴的小圆柱体，圆柱体的轴线与电流流向平行。设小圆柱体两端面上的电势为线与电流流向平行。设小圆柱体两端面上的电势为V和和V+dV。根据欧姆定律，通过截面根据欧姆定律，通过截面dS的电流为的电流为dSVV+dVdl欧姆定律的微分形式：欧姆定律的微分形式：通过导体中任一点的电流通过导体中任一点的电流密度，等于该点的场强与密度，等于该点的场强与导体的电阻率之比值导体的电阻率之比值例例1、一块扇形碳制电极厚为一块扇形碳制电极厚为 t，电流从半径为，电流从半径为 r1的端
14、面的端面 S1流流向半径为向半径为 r2的端面的端面 S2，扇形张角为，扇形张角为 ，求：，求：S1 和和 S2面之间的电面之间的电阻。阻。解：解：dr 平行于电流方向，平行于电流方向，dS 垂直于电流方向。垂直于电流方向。r1r2 tS1S2四、四、电流的功和功率电流的功和功率稳恒电流的情况下，在相同时间间隔稳恒电流的情况下，在相同时间间隔 dt内，通过空间各点的电量内，通过空间各点的电量 dq相同。相同。电场力对导线电场力对导线A、B内运动电荷做的功内运动电荷做的功等于把电量等于把电量 dq从从A 移到移到 B所做的功。所做的功。1、电场力作功、电场力作功若电路两端的电压为若电路两端的电压
15、为U，则当电量为，则当电量为q=It 的电的电荷通过这段电路时，电场力所作的功为荷通过这段电路时，电场力所作的功为单位：焦耳（单位：焦耳（J）2、电功率、电功率电场力在单位时间内完成的功电场力在单位时间内完成的功单位：瓦特（单位：瓦特（w） 度（千瓦时，）度（千瓦时，）3、焦耳定律、焦耳定律4、热功率密度、热功率密度单位体积所消耗的功单位体积所消耗的功即即Q与电流的平方、电阻和通电时间成正比与电流的平方、电阻和通电时间成正比若电路中只含有电阻，则电场力所作的功全部转化为热能若电路中只含有电阻，则电场力所作的功全部转化为热能功率功率10-3 电源电源 电动势电动势一、电源一、电源+1、电源、电源
16、在导体中有稳恒电流流动就不能单靠静在导体中有稳恒电流流动就不能单靠静电力，必须有非静电力把正电荷从负极电力，必须有非静电力把正电荷从负极板搬到正极板才能在导体两端维持有稳板搬到正极板才能在导体两端维持有稳恒的电势差。这种恒的电势差。这种能够提供非静电力的能够提供非静电力的装置叫作电源装置叫作电源。电源的作用是把其它形。电源的作用是把其它形式的能量转变为电能。式的能量转变为电能。2、电源的种类、电源的种类电解电池、蓄电池电解电池、蓄电池化学能化学能电能电能光电池光电池 光能光能 电能电能发电机发电机 机械能机械能电能电能静电力欲使正电荷静电力欲使正电荷从高电位到低电位。从高电位到低电位。非静电力
17、欲使正电非静电力欲使正电荷从低电位到高电荷从低电位到高电位。位。3、电源的表示法、电源的表示法电势高的地方为正极，电势低的地方电势高的地方为正极，电势低的地方为负极。为负极。+ 电源内部电流从负极板到正极板叫电源内部电流从负极板到正极板叫内电路内电路电源外部电流从正极板到负极板叫电源外部电流从正极板到负极板叫外电路外电路二、电动势二、电动势1、引入、引入为了表述不同电源转化能量的能力，为了表述不同电源转化能量的能力，引入了电源电动势这一物理量。引入了电源电动势这一物理量。+2、定义、定义把单位正电荷绕闭合回路一周时，电源非把单位正电荷绕闭合回路一周时，电源非静电力做的功定义为电源的电动势静电力
18、做的功定义为电源的电动势。单位：焦耳单位：焦耳/库仑库仑=（伏特）（伏特）因为电源外部没有非静电力，所以可因为电源外部没有非静电力，所以可写为：写为：电源电动势的大小等电源电动势的大小等于把单位正电荷从负于把单位正电荷从负极经电源内部移到正极经电源内部移到正极时非静电力所作的极时非静电力所作的功。功。3、计算、计算4、说明：、说明：电动势是标量，但有方向；其方向为电源内部电势升高的方电动势是标量，但有方向；其方向为电源内部电势升高的方向，即从负极经电源内部到正极的方向为电动势的方向。向，即从负极经电源内部到正极的方向为电动势的方向。电动势的大小只取决于电源本身的性质，而与外电路无关。电动势的大
19、小只取决于电源本身的性质，而与外电路无关。电动势的单位为伏特。电动势的单位为伏特。电源内部也有电阻，称为内阻。电源内部也有电阻，称为内阻。电源两极之间的电势差称为路端电压，与电源的电动势是不电源两极之间的电势差称为路端电压，与电源的电动势是不同的。同的。104 全电路欧姆定律全电路欧姆定律一、一、一段含源电路的欧姆定律一段含源电路的欧姆定律放电时放电时充电时充电时二、二、闭合电路的欧姆定律闭合电路的欧姆定律闭合电路中电源电动势与总电阻之闭合电路中电源电动势与总电阻之比等于电路中的电流，这就是比等于电路中的电流，这就是全电全电路的欧姆定律路的欧姆定律。电源的端电压电源的端电压电势降落的情况如右图
20、所示电势降落的情况如右图所示例例2、 如图所示，电源电动势如图所示，电源电动势e e1=2V，e e2=4V，外电阻，外电阻R1=R2=2W W ，R3=6W W 。求：。求：(1)电路中的电流为多少？电路中的电流为多少？(2)A、B、C相邻两点间的电势相邻两点间的电势降为多少？降为多少？解：解：(1)电动势电动势e e2e e1，所以电路中的电流方向为逆时针。从图中，所以电路中的电流方向为逆时针。从图中A点出发，沿逆时针绕电路一周，各部分的电势降之和为零，点出发，沿逆时针绕电路一周，各部分的电势降之和为零，即即所以电路中的电流为所以电路中的电流为(2)A和和C之间的电势降为之间的电势降为C和和B之间的电势降为之间的电势降为B和和A之间的电势降为之间的电势降为点点A的电势高于点的电势高于点C的电势。的电势。点点C的电势低于的点的电势低于的点B电势。电势。点点B的电势低于点的电势低于点A的电势。的电势。小小 结结电流电流 电流密度电流密度电阻率电阻率 欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式电源电源 电动势电动势全电路欧姆定律全电路欧姆定律作作 业业思考题：思考题： P120 2，3，4，5习习 题：题： P122 2，3，5，9预预 习：习： 10-5，10-6
