高中物理競賽——穩(wěn)恒電流基本知識

1、高中物理競賽穩(wěn)恒電流基本知識一、歐姆定律1、電阻定律a、電阻定律 R = lSb、金屬的電阻率 = 0（1 t）2、歐姆定律a、外電路歐姆定律 U = IR ，順著電流方向電勢降落b、含源電路歐姆定律在如圖8-1所示的含源電路中，從A點到B點，遵照原則：遇電阻，順電流方向電勢降落（逆電流方向電勢升高）遇電源，正極到負極電勢降落，負極到正極電勢升高（與電流方向無關），可以得到以下關系UA ? IR ? ? Ir = UB這就是含源電路歐姆定律。c、閉合電路歐姆定律在圖8-1中，若將A、B兩點短接，則電流方向只可能向左，含源電路歐姆定律成為UA IR ? Ir = UB = UA即 = IR Ir

2、 ，或 I = ?R?r這就是閉合電路歐姆定律。值得注意的的是：對于復雜電路，“干路電流I”不能做絕對的理解（任何要考察的一條路均可視為干路）；電源的概念也是相對的，它可以是多個電源的串、并聯(lián)，也可以是電源和電阻組成的系統(tǒng)；外電阻R可以是多個電阻的串、并聯(lián)或混聯(lián)，但不能包含電源。二、復雜電路的計算1、戴維南定理：一個由獨立源、線性電阻、線性受控源組成的二端網(wǎng)絡，可以用一個電壓源和電阻串聯(lián)的二端網(wǎng)絡來等效。（事實上，也可等效為“電流源和電阻并聯(lián)的的二端網(wǎng)絡”這就成了諾頓定理。）應用方法：其等效電路的電壓源的電動勢等于網(wǎng)絡的開路電壓，其串聯(lián)電阻等于從端鈕看進去該網(wǎng)絡中所有獨立源為零值時的等效電阻。

3、 2、基爾霍夫（克?？品颍┒蒩、基爾霍夫第一定律：在任一時刻流入電路中某一分節(jié)點的電流強度的總和，等于從該點流出的電流強度的總和。:/ ，有I2 I3 = I1基爾霍夫第一定律也被稱為“節(jié)點電流定律”，它是電荷受恒定律在電路中的具體體現(xiàn)。對于基爾霍夫第一定律的理解，近來已經(jīng)拓展為：流入電路中某一“包容塊”的電流強度的總和，等于從該“包容塊”流出的電流強度的總和。 b、基爾霍夫第二定律：在電路中任取一閉合回路，并規(guī)定正的繞行方向，其中電動勢的代數(shù)和，等于各部分電阻（在交流電路中為阻抗）與電流強度乘積的代數(shù)和。例如，在圖8-2中，針對閉合回路 ，有3 ? 2 = I3 ( r3 R2 r2 )

4、? I2R2基爾霍夫第二定律事實上是含源部分電路歐姆定律的變體（同學們可以列方程 UP = ? = UP得到和上面完全相同的式子）。3、Y?變換在難以看清串、并聯(lián)關系的電路中，進行“Y型?型”的相互轉(zhuǎn)換常常是必要的。在圖8-3所示的電路中同學們可以證明 Y的結(jié)論?Rc =Rb =Ra = R1R3R1?R2?R3R2R3R1?R2?R3R1R2R1?R2?R3Y的變換稍稍復雜一些，但我們?nèi)匀豢梢缘玫絉1 = RaRb?RbRc?RcRa RbR2 = RaRb?RbRc?RcRa RcR3 = RaRb?RbRc?RcRa Ra三、電功和電功率1、電源使其他形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。如發(fā)電機

5、、電池等。發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；干電池、蓄電池是將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；光電池是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽辉与姵厥菍⒃雍朔派淠苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；在電子設備中，有時也把變換電能形式的裝置，如整流器等，作為電源看待。電源電動勢定義為電源的開路電壓，內(nèi)阻則定義為沒有電動勢時電路通過電源所遇到的電阻。據(jù)此不難推出相同電源串聯(lián)、并聯(lián)，甚至不同電源串聯(lián)、并聯(lián)的時的電動勢和內(nèi)阻的值。例如，電動勢、內(nèi)阻分別為1 、r1和2 、r2的電源并聯(lián)，構(gòu)成的新電源的電動勢和內(nèi)阻r分別為（師生共同推導?） = ?1r2?2r1 r1?r2r = r1r2r1?r22、電功、電功率電流通過電路時，電場力對電荷作的功叫做電功W。單位

6、時間內(nèi)電場力所作的功叫做電功率P 。計算時，只有W = UIt和P = UI是完全沒有條件的，對于不含源的純電阻，電功和焦耳熱重合，電功率則和熱功率重合，有W = IRt = Ut和P = IR =U 。 2222RR對非純電阻電路，電功和電熱的關系依據(jù)能量守恒定律求解。四、物質(zhì)的導電性在不同的物質(zhì)中，電荷定向移動形成電流的規(guī)律并不是完全相同的。1、金屬中的電流即通常所謂的不含源純電阻中的電流，規(guī)律遵從“外電路歐姆定律”。2、液體導電能夠?qū)щ姷囊后w叫電解液（不包括液態(tài)金屬）。電解液中離解出的正負離子導電是液體導電的特點（如：硫酸銅分子在通常情況下是電中性的，但它在溶液?里受水分子的作用就會離解

7、成銅離子Cu2 和硫酸根離子SO2它們在電場力的作4，用下定向移動形成電流）。在電解液中加電場時，在兩個電極上（或電極旁）同時產(chǎn)生化學反應的過程叫作“電解”。電解的結(jié)果是在兩個極板上（或電極旁）生成新的物質(zhì)。液體導電遵從法拉第電解定律法拉第電解第一定律：電解時在電極上析出或溶解的物質(zhì)的質(zhì)量和電流強度、跟通電時間成正比。表達式：m = kIt KQ （式中Q為析出質(zhì)量為m的物質(zhì)所需要的電量；K為電化當量，電化當量的數(shù)值隨著被析出的物質(zhì)種類而不同，某種物質(zhì)的電化當量在數(shù)值上等于通過1C電量時析出的該種物質(zhì)的質(zhì)量，其單位為kg/C。）法拉第電解第二定律：物質(zhì)的電化當量K和它的化學當量成正比。某種物質(zhì)

8、的化學當量是該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量M（克原子量）和它的化合價n的比值，即 K = MFn ，而F為法拉第常數(shù)，對任何物質(zhì)都相同，F(xiàn) = 9.65×10C/mol 。 將兩個定律聯(lián)立可得：m = MQ 。 Fn43、氣體導電氣體導電是很不容易的，它的前提是氣體中必須出現(xiàn)可以定向移動的離子或電子。按照“載流子”出現(xiàn)方式的不同，可以把氣體放電分為兩大類a、被激放電在地面放射性元素的輻照以及紫外線和宇宙射線等的作用下，會有少量氣體分子或原子被電離，或在有些燈管內(nèi)，通電的燈絲也會發(fā)射電子，這些“載流子”均會在電場力作用下產(chǎn)生定向移動形成電流。這種情況下的電流一般比較微弱，且遵從歐姆定律。典型的被激放

9、電情形有b、自激放電但是，當電場足夠強，電子動能足夠大，它們和中性氣體相碰撞時，可以使中性分子電離，即所謂碰撞電離。同時，在正離子向陰極運動時，由于以很大的速度撞到陰極上，還可能從陰極表面上打出電子來，這種現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射。碰撞電離和二次電子發(fā)射使氣體中在很短的時間內(nèi)出現(xiàn)了大量的電子和正離子，電流亦迅速增大。這種現(xiàn)象被稱為自激放電。自激放電不遵從歐姆定律。常見的自激放電有四大類：輝光放電、弧光放電、火花放電、電暈放電。4、超導現(xiàn)象據(jù)金屬電阻率和溫度的關系，電阻率會隨著溫度的降低和降低。當電阻率降為零時，稱為超導現(xiàn)象。電阻率為零時對應的溫度稱為臨界溫度。超導現(xiàn)象首先是荷蘭物理學家昂尼斯發(fā)現(xiàn)的

10、。超導的應用前景是顯而易見且相當廣闊的。但由于一般金屬的臨界溫度一般都非常低，故產(chǎn)業(yè)化的價值不大，為了解決這個矛盾，科學家們致力于尋找或合成臨界溫度比較切合實際的材料就成了當今前沿科技的一個熱門領域。當前人們的研究主要是集中在合成材料方面，臨界溫度已經(jīng)超過100K，當然，這個溫度距產(chǎn)業(yè)化的期望值還很遠。5、半導體半導體的電阻率界于導體和絕緣體之間，且值隨溫度的變化呈現(xiàn)“反?！币?guī)律。組成半導體的純凈物質(zhì)這些物質(zhì)的化學鍵一般都是共價鍵，其穩(wěn)固程度界于離子鍵和金屬鍵之間，這樣，價電子從外界獲得能量后，比較容易克服共價鍵的束縛而成為自由電子。當有外電場存在時，價電子移動，同時造成“空穴”（正電）的反向移動，我們通常說，半導體導電時，存在兩種載流子。只是在常態(tài)下，半導體中的載流子濃度非常低。半導體一般是四價的，如果在半導體摻入三價元素，共價鍵中將形成電子缺乏的局面，使“空穴”載流子顯著增多，形