第四章穩(wěn)恒電流課件

第四章穩(wěn)恒電流§4.1穩(wěn)恒條件一、電流強度和電流密度■電流密度：電流密度的定義■電流密度是一個矢量，它的方向表示導(dǎo)體中某點電流的方向，數(shù)值等于通過垂直于該點電流方向的單位面積的電流強度?！鲆阎獙?dǎo)體中某點P的電流密度，可以求得通過該點任一面元的電流強度通過

S

面的電流強度I：[例]一般載流金屬導(dǎo)線中的情況?？梢婋娮拥钠骄ㄏ蛩俣仁呛苈?，但為何電源一接通立即燈亮呢？這是由于電場的傳播速度為光速C。二、電流連續(xù)方程四、穩(wěn)恒條件稱做穩(wěn)恒條件的積分形式和微分形式。穩(wěn)恒條件表明，電荷分布將不會因穩(wěn)恒電流的存在而隨時間變化，所以由它產(chǎn)生的電場必然是靜電場。

含義:§4.2歐姆定律與焦耳定律

一、歐姆定律■電阻的倒數(shù)叫做電導(dǎo)，用G表示：單位是（歐[姆]）1，稱為西[門子]，符號為S。

(4.2.2)

(4.2.3)■電阻率的倒數(shù)稱為電導(dǎo)率，用σ表示：(4.2.4)電導(dǎo)率的單位為(歐·米)1，或S·m1。E。

這就是電流密度的歐姆定律,稱它為歐姆定律的微分形式■

說明：歐姆定律的微分形式更為細(xì)致地描述了導(dǎo)體的導(dǎo)電規(guī)律。歐姆定律的微分形式比積分形式適用范圍更廣。例如對非穩(wěn)恒情況，實驗證明，歐姆定律的微分形式仍在一定范圍內(nèi)適用于這類非穩(wěn)恒情況。二、焦耳定律單位體積的熱功率稱為熱功率密度，用p表示，有p

=P/V

。類似推導(dǎo)歐姆定律的微分形式（4.2.5）的做法，考慮一段長、截面積的電流管，由將這三個量代入p

中，得：上式即焦耳定律的微分形式。三、經(jīng)典電子論觀點解釋歐姆定律和焦耳定律與歐姆定律比較，可求得電導(dǎo)率的表達(dá)式如下：我們不僅解釋了歐姆定律，而且導(dǎo)出了電導(dǎo)率與微觀量平均值的關(guān)系。這一關(guān)系從定性上講是對的。例如，要對金屬的導(dǎo)電規(guī)律進行嚴(yán)格定量的處理，需要用到量子理論。定性符合四、歐姆定律的失效問題

主要表現(xiàn)是j與E或者說I與U的比例關(guān)系遭到破壞（1）電場很強,n不是常數(shù)（2）低氣壓下的電離氣體(平均自由程長)（3）高頻交變電場中的導(dǎo)體內(nèi)，E的方向變的太快。（4）晶體管、電子管等器件，I與U的關(guān)系也是非線性的，在電子學(xué)中會討論它們的導(dǎo)電特性。（5）各向異性晶體中，σ是張量，j與E不再同向。（6）超導(dǎo)體中(7)新型奇異材料§4.3電源與電動勢如何產(chǎn)生穩(wěn)恒電流？■僅有靜電力不足以維持電流■所以，為了產(chǎn)生穩(wěn)恒電流，必須還有非靜電力，使正電荷逆著電場線的方向運動，從低電勢返回高電勢。分析與介紹一、電源與電動勢■提供非靜電力的裝置稱電源。其特點是，在電源內(nèi)部提供的非靜電力K不斷將正電荷從負(fù)極（－）搬運到正極（+），如右圖所示。K－+＋R電源■定量表達(dá)電源內(nèi)非靜電力的物理量是K

，它為單位正電荷受力，方向與靜電場E相反?！鲭姾蓂在電路受力情況是：在外電路F=qE

；在電源內(nèi)F=q﹙K+E﹚

在外電路；在電源內(nèi)■實際應(yīng)用中，描述電源的性質(zhì)，更常用的不是K，而是電動勢?？膳c電勢比較理解它的物理意義，其單位也是伏特。二、常見的幾種電源化學(xué)電池:各類干電池和蓄電池都屬于化學(xué)電池，它將化學(xué)反應(yīng)釋放的能量轉(zhuǎn)換為電能，即通過化學(xué)反應(yīng)提供非靜電力，使正、負(fù)電荷分離并在兩極板上累積造成靜電力，直到非靜電力與靜電力達(dá)到平衡,

形成兩極間的電勢差。最先發(fā)明的電源之一——伏打電池，由浸在稀硫酸溶液中一塊銅片和一塊鋅片組成。由于化學(xué)反應(yīng)，銅片帶正電形成正極，鋅片帶負(fù)電形成負(fù)極。后來改進為丹聶耳電池。它是一種蓄電池，可以充放電。

丹聶耳電池日常使用的各種型號的干電池、銀鋅紐扣電池、鋰電池等都是化學(xué)電池。(2)光電池這類電池將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｗ畛Ｒ姷娜缣柲茈姵?。其簡單原理是，?dāng)太陽光照到對光敏感的金屬表面時，通過光電效應(yīng)，金屬表面發(fā)射電子，這些電子被收集到另一鄰近的金屬表面，造成正、負(fù)電荷分離，產(chǎn)生電動勢。主要有硅、硫化鎘、銻化鎘以及砷化鎵等太陽能電池。

干電池的結(jié)構(gòu)示意太陽能電池陣列(3)溫差發(fā)電器這類發(fā)電器利用溫差電效應(yīng)把熱能直接轉(zhuǎn)化成電能。溫差電效應(yīng)和溫差電堆示意圖＋－

用溫差電偶測溫度

(4)核能電池這種電池將核能直接轉(zhuǎn)化為電能。核能電池示意圖＋－(5)直流發(fā)電機它通過電磁感應(yīng)（見第七章）將機械能，如水的勢能和風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換為電能。三、全電路歐姆定律

■當(dāng)電源兩極斷開、電源內(nèi)部處于平衡狀態(tài)時，有：■當(dāng)外電路接通時，電路中將出現(xiàn)電流，這時電源內(nèi)應(yīng)有：代入前式得：■該式就是全電路歐姆定律，式中r為電源內(nèi)阻。第二項取負(fù)號意味著電流的正向在電源內(nèi)部由負(fù)極指向正極。對外電路有：，R是外電路的電阻。得：§4.4基爾霍夫定律簡單電路歐姆定律可解（串、并聯(lián)）復(fù)雜電路基爾霍夫定律才能解

多回路直流電路

一、四個基本概念(1)節(jié)點:在電路中，3條或3條以上導(dǎo)線的匯合點(2)支路：兩相鄰節(jié)點間，由電源和電阻串聯(lián)而成的通路(3)回路：起點和終點重合在一個節(jié)點的環(huán)路(4)

獨立回路：每個回路至少有一條其它回路沒有的支路，則稱這些回路互相獨立。簡單易行的取法是取各回路互不包含。注意，獨立回路的數(shù)目減1正好等于支路的數(shù)目減去節(jié)點的數(shù)目。二、基爾霍夫兩條定律(1)基爾霍夫第一定律：匯合于任一節(jié)點處的各電流的代數(shù)和等于零，即(4.4.1)它是穩(wěn)恒電流條件的必然結(jié)果。(2)基爾霍夫第二定律：電路中的任一閉合回路的全部支路上的電壓的代數(shù)和等于零，即

(4.4.2)又稱回路電壓方程。它是靜電場環(huán)路定理的必然結(jié)果。

三、兩種方法

1.支路電流法：先設(shè)定每個支路電流及方向和取值，再設(shè)定每個獨立回路繞行方向，然后利用基爾霍夫