清華大學(xué)物理系普通物理電磁學(xué)(1)ppt課件

1、第四章第四章 穩(wěn)恒電流穩(wěn)恒電流 steady currentsteady current4.1 4.1 穩(wěn)恒條件穩(wěn)恒條件4.2 4.2 歐姆定律歐姆定律4.4 4.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律4.3 4.3 電源和電動(dòng)勢(shì)電源和電動(dòng)勢(shì) electromotive force (emf) electromotive force (emf)4.1 4.1 穩(wěn)恒條件穩(wěn)恒條件一一. .電流強(qiáng)度和電流密度電流強(qiáng)度和電流密度1.1.電流強(qiáng)度電流強(qiáng)度大?。?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)經(jīng)過某一橫截面的電量大?。?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)經(jīng)過某一橫截面的電量dtdqI 方向：正電荷運(yùn)動(dòng)的方向方向：正電荷運(yùn)動(dòng)的方向單位：安培單位：安培(庫侖庫侖/秒

2、秒)2.2.電流密度電流密度 current density current density對(duì)大塊導(dǎo)體，需電流密度的概念來對(duì)大塊導(dǎo)體，需電流密度的概念來進(jìn)一步描寫電流的分布。進(jìn)一步描寫電流的分布。例如：電阻法探礦例如：電阻法探礦圖示圖示dIjdSdSdI導(dǎo)體中某點(diǎn)的電流密度，數(shù)值上等于和該點(diǎn)正電荷導(dǎo)體中某點(diǎn)的電流密度，數(shù)值上等于和該點(diǎn)正電荷定性向挪動(dòng)方向垂直的單位面積上的電流強(qiáng)度。方定性向挪動(dòng)方向垂直的單位面積上的電流強(qiáng)度。方向：該點(diǎn)正電荷定向挪動(dòng)的方向。向：該點(diǎn)正電荷定向挪動(dòng)的方向。1電流線上某點(diǎn)的切向電流線上某點(diǎn)的切向與該點(diǎn)與該點(diǎn) 的方向一致；的方向一致；j 電流線電流線Pj為籠統(tǒng)描寫電流

3、分布，引入為籠統(tǒng)描寫電流分布，引入“電流線的概念：電流線的概念：3. 電流線電流線dNdS2電流線的密度等于電流線的密度等于 j，jSN ddINdd 即：即：3) 電流管電流管cosdIjdSjdSj dS4.4.電流密度和電流強(qiáng)度的關(guān)系電流密度和電流強(qiáng)度的關(guān)系sIj dS jnq 載流子定向挪動(dòng)速度載流子定向挪動(dòng)速度n 載流子的濃度載流子的濃度q 載流子電荷載流子電荷dInqdSdSj I電流線電流線 nqdSdSdIdInqdSj dS對(duì)對(duì)Cu：時(shí)時(shí)，2A/mm1 j27.4 10 mm/s電流有熱效應(yīng)，故應(yīng)限制電流有熱效應(yīng)，故應(yīng)限制 j j 的大小：的大?。豪鐚?duì)例如對(duì)Cu導(dǎo)線要求：導(dǎo)

4、線要求：2max10A/mmj對(duì)于超導(dǎo)導(dǎo)線，對(duì)于超導(dǎo)導(dǎo)線，j 可達(dá)可達(dá)104A/mm2。 j I電流線電流線 nqdS5. 電流延續(xù)性方程電流延續(xù)性方程電流線發(fā)出于正電荷減少的地方電流線發(fā)出于正電荷減少的地方終止于正電荷添加的地方終止于正電荷添加的地方Sj線線dtdq內(nèi)0 a .導(dǎo)體球?qū)w球普通普通 R 10 -2 如圖示，如圖示，設(shè)接地電流為設(shè)接地電流為I .當(dāng)當(dāng)r =10a 時(shí)，時(shí)，小整個(gè)接地電阻的關(guān)鍵。小整個(gè)接地電阻的關(guān)鍵。 a r 大地大地.ahIrrrIrrd42 raaI 4raU r 41 即即 90 % 的電勢(shì)降落在的電勢(shì)降落在 r =10a所以改善接地點(diǎn)附近的電阻，是減所以改

5、善接地點(diǎn)附近的電阻，是減 a - r = 0.9 U分析影響接地電阻的關(guān)鍵：分析影響接地電阻的關(guān)鍵：的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。 闡明：闡明： 該例只是極其理想化的接地模型，現(xiàn)實(shí)上影響接地該例只是極其理想化的接地模型，現(xiàn)實(shí)上影響接地電阻的要素很多，接地電阻是個(gè)不可準(zhǔn)確丈量的物理量。電阻的要素很多，接地電阻是個(gè)不可準(zhǔn)確丈量的物理量。例例.一球形電容器內(nèi)、外導(dǎo)體球殼一球形電容器內(nèi)、外導(dǎo)體球殼A和和B的半徑的半徑R1和和R3，兩球殼間充溢兩層球殼形的均勻各向同性介質(zhì)，兩球殼間充溢兩層球殼形的均勻各向同性介質(zhì)1、 2，電導(dǎo)率各為，電導(dǎo)率各為 , 兩介質(zhì)分層處半徑兩介質(zhì)分層處半徑R2，內(nèi)外球殼電壓，內(nèi)外球殼電壓

6、U為常量為常量, 忽略線路的幾何影響忽略線路的幾何影響, 求：求：1兩介質(zhì)區(qū)的電場(chǎng)兩介質(zhì)區(qū)的電場(chǎng) E =？電流密度？電流密度 j =？ 2兩個(gè)介質(zhì)分界面上的自在面電荷密度兩個(gè)介質(zhì)分界面上的自在面電荷密度 =？12, D的高斯定理的高斯定理?沒有哪個(gè)地方電荷能無限積累沒有哪個(gè)地方電荷能無限積累24.r jIconst24IjrR3R2R1 2 1ABQU2111122234111111()()UIRRRR22102212()4IR12114jIEr22224jIEr321212RRRRUE drEdrR3R2R1 2 1ABQU21002211()DDSqEE214.3 4.3 電源及電動(dòng)勢(shì)電源

7、及電動(dòng)勢(shì) electromotive force electromotive force (emf)(emf)1.1.電源及電源的作用電源及電源的作用 source of emf source of emf 非靜電力非靜電力 non-electrostatic force non-electrostatic force 非靜電力場(chǎng)強(qiáng)非靜電力場(chǎng)強(qiáng)EFqKKKKKLAq EdlqEdl經(jīng)電源內(nèi)部由負(fù)極移向正極過程中非靜電力經(jīng)電源內(nèi)部由負(fù)極移向正極過程中非靜電力所作的功所作的功q (t)E (t)I (t) 要維持穩(wěn)恒電流，要維持穩(wěn)恒電流， L0d lE+qR-I+KFeF才才能在閉合電路中構(gòu)成穩(wěn)恒

8、電流。能在閉合電路中構(gòu)成穩(wěn)恒電流。必需有非靜電力必需有非靜電力KF存在，存在，：KF電磁，電磁，化學(xué)，化學(xué)，熱，熱，光，光，原子，原子，電路必需閉合。電路必需閉合。而而仿照電勢(shì)差電壓的定義仿照電勢(shì)差電壓的定義qAlEU電電 d)2()1(12 電勢(shì)降電勢(shì)降定義電動(dòng)勢(shì)定義電動(dòng)勢(shì)(2)12(1)d KAElq非L 此積分與此積分與途徑有關(guān)途徑有關(guān) ! 電源的電動(dòng)勢(shì)電源的電動(dòng)勢(shì)dKLAElq內(nèi)（）非源（） 電勢(shì)升電勢(shì)升2. 電源電動(dòng)勢(shì)電源電動(dòng)勢(shì)()KjEE3. 電源內(nèi)部歐姆定律微分方式電源內(nèi)部歐姆定律微分方式: 電源電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于開路時(shí)電電源電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于開路時(shí)電源正極和負(fù)極間的電勢(shì)差源正極

9、和負(fù)極間的電勢(shì)差KjEErRIKjE dldlEdl0各種電池各種電池: 化學(xué)化學(xué), 光光, 溫差溫差, 核能核能, 電磁感應(yīng)等電磁感應(yīng)等全電路歐姆定律全電路歐姆定律()I RrrRIKjEdldlIdldlISS4. 化學(xué)電池原理化學(xué)電池原理丹聶耳電池丹聶耳電池+-+-CuSO4 ZnSO4CuZn+ZnZn+CuCu充電是逆過程充電是逆過程UCuUZnU溶液UCuCuFeII熱熱接接頭頭冷冷接接頭頭假設(shè)兩個(gè)接頭處的溫度不同，假設(shè)兩個(gè)接頭處的溫度不同， 兩種金屬接成一個(gè)回路，兩種金屬接成一個(gè)回路，溫差電動(dòng)勢(shì)的成因：溫差電動(dòng)勢(shì)的成因： 在同種金屬中，溫差構(gòu)成自在電子的熱分散在同種金屬中，溫差構(gòu)

10、成自在電子的熱分散在不同金屬中，因自在電子濃度不同，在接頭處在不同金屬中，因自在電子濃度不同，在接頭處那么回路中構(gòu)成溫差電動(dòng)那么回路中構(gòu)成溫差電動(dòng)勢(shì)。勢(shì)。* 溫差電景象溫差電景象席貝克席貝克Seebeck效應(yīng)，效應(yīng)，1821湯姆孫湯姆孫Thomon電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生與溫度有關(guān)的分散產(chǎn)生與溫度有關(guān)的分散珀耳帖珀耳帖Peltier電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫?zé)犭娕糑D022普通普通 mV/100 C。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 熱容小，靈敏度高熱容小，靈敏度高10 3 C。 可逐點(diǎn)丈量，測(cè)小范圍內(nèi)溫度變化可逐點(diǎn)丈量，測(cè)小范圍內(nèi)溫度變化 測(cè)溫范圍大測(cè)溫范圍大200 C 2000 C。 便于自動(dòng)控制便于自動(dòng)控制T2T1

11、 待測(cè)待測(cè)知恒知恒溫溫測(cè)測(cè)電位電位差計(jì)差計(jì)ABCBi Sb 10 2V/100 C。鉍鉍 銻銻熱電偶：熱電偶：演示演示溫差電磁鐵溫差電磁鐵KD023TV溫差電偶和溫差電堆溫差電偶和溫差電堆溫差電偶和溫差電堆溫差電偶和溫差電堆.mpg溫差電景象的現(xiàn)代運(yùn)用實(shí)例：溫差電景象的現(xiàn)代運(yùn)用實(shí)例： 掃描熱顯微鏡掃描熱顯微鏡壓電控制安裝壓電控制安裝鎢鎢鎳鎳絕緣體絕緣體通向電子安裝通向電子安裝芯片芯片 鎢和鎳鎢和鎳在探針尖在探針尖處相接，處相接，構(gòu)成熱電構(gòu)成熱電偶的測(cè)溫偶的測(cè)溫端。端。掃描熱顯微鏡簡(jiǎn)介掃描熱顯微鏡簡(jiǎn)介熱探針針尖直徑只需約熱探針針尖直徑只需約30nm，納米的尺度上，測(cè)出萬分之一度的溫度變化。納米的

12、尺度上，測(cè)出萬分之一度的溫度變化。 任務(wù)原理：任務(wù)原理：外表的起伏情況。外表的起伏情況。 性能：性能：針尖和被測(cè)外表間隔針尖和被測(cè)外表間隔針尖散熱針尖散熱 通電流使探針加熱并接近試樣外表。通電流使探針加熱并接近試樣外表。由此可反映出探針尖與試樣外表間隙的大小。由此可反映出探針尖與試樣外表間隙的大小。當(dāng)探針在試樣外表上掃描時(shí)，當(dāng)探針在試樣外表上掃描時(shí)，針尖和被測(cè)外表間隔針尖和被測(cè)外表間隔針尖散熱針尖散熱 溫度溫度 。溫度溫度 ；就能測(cè)出試樣就能測(cè)出試樣可在數(shù)十可在數(shù)十掃描熱顯微鏡的運(yùn)用：掃描熱顯微鏡的運(yùn)用： 檢測(cè)電子芯片外表的質(zhì)量。檢測(cè)電子芯片外表的質(zhì)量。 探測(cè)活細(xì)胞中溫度的變化，從而給出新陳代

13、謝探測(cè)活細(xì)胞中溫度的變化，從而給出新陳代謝方式的線索。方式的線索。 經(jīng)過探針尖端熱量的散失情況，測(cè)定微細(xì)氣流經(jīng)過探針尖端熱量的散失情況，測(cè)定微細(xì)氣流或液流的流量?；蛞毫鞯牧髁?。 檢測(cè)試樣外表成分光熱吸收分光術(shù)：檢測(cè)試樣外表成分光熱吸收分光術(shù)：進(jìn)而給出試樣外表成分在極小尺進(jìn)而給出試樣外表成分在極小尺用激光照射試樣，用激光照射試樣，改動(dòng)激光波長(zhǎng)，改動(dòng)激光波長(zhǎng)，同時(shí)測(cè)試樣同時(shí)測(cè)試樣溫度的變化，溫度的變化，實(shí)現(xiàn)微觀尺度上的光譜分析。實(shí)現(xiàn)微觀尺度上的光譜分析。度上的變化，度上的變化， 在電路的任一節(jié)點(diǎn)處在電路的任一節(jié)點(diǎn)處 流入的電流強(qiáng)度之流入的電流強(qiáng)度之和等于流出節(jié)點(diǎn)的電流強(qiáng)度之和和等于流出節(jié)點(diǎn)的電流強(qiáng)

14、度之和 - 節(jié)點(diǎn)電流定律節(jié)點(diǎn)電流定律(基爾霍夫第一定律基爾霍夫第一定律)I1I2I3321III穩(wěn)恒條件穩(wěn)恒條件0sj dS4.4 4.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 滿足環(huán)路定理滿足環(huán)路定理 是保守場(chǎng)是保守場(chǎng) 可引入電勢(shì)概念可引入電勢(shì)概念0Ll dE在穩(wěn)恒電路中在穩(wěn)恒電路中 沿任何閉合回路一周的電勢(shì)降沿任何閉合回路一周的電勢(shì)降落的代數(shù)和等于零落的代數(shù)和等于零-回路電壓定律回路電壓定律( (基爾霍夫第二定律基爾霍夫第二定律) ) 0IR()KjEE04433221142RIRIRIRIR1R3R224I1I4I3I2R4基爾霍夫第二定律基爾霍夫第二定律 例例iI與與 L 繞向一致為正。繞向一致為正。 一段含源電路一段含源電路 abiiiUI R 一一 段含源