清华大学 大学物理课件电磁学.第16章.稳恒电流.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十六章 稳恒,电流,温差电磁铁,温差电磁铁吸重物,1,16.1,电流密度,16.2,稳恒电流和稳恒电场,16.3,欧姆定律,16.4,电动势,16.6,稳恒电流和静电场的综合求解,16.7,电容器的充电与放电,*,16.8,电流的一种经典微观图像,第十六章 稳恒电流,16.5,稳恒电路,2,16.1,电流密度,可逐点精细描述导电介质中电流,分布情况。,方向：,对正载流子，与之运动同向；,对负载流子，与之运动反向。,大小：,单位时间通过单位垂直面积的电量,一,.,电流密度矢量,在导电介质中，载流子如电子、空穴、离子,等的定向运动形成一个矢量场,电流场。,描述电流场的基本物理量是,电流密度矢量。,3,1.,单一载流子,：,载流子,定向,运动速度,n,：,载流子数密度,q,：载流子,电荷,（代数量）,：电荷,密度，,=,nq,D,S,电阻法探矿,4,3.,金属,电子导电,设速度 的电子数密度为,n,i,：,无外电场时，电子作热运动,有外电场时，电子作定向流动,是电子平均定向流动速度,飘移速度,一般,：,10,2,10,-1,mm/s,2.,多种载流子,5,二,.,电流强度,电流线概念,S,电流密度通量,电流线上某点的切向为该点 的方向,电流线,P,6,电流线的数密度等于电流密度大小,电流强度就是穿过横截面电流线的数目。,由电流强度定义电流密度：,是指向电流方向的单位向量，与 垂直。,7,三,.,电流连续性方程,对任一闭合曲面，电流密度的通量满足：,I,S,q,内,微分形式,电流连续性方程是电荷守恒定律的数学表述：,单位时间内“净”流出封闭曲面的电量，等于,封闭曲面内电量的减少，反映了电流分布和,电荷分布之间的普遍关系。,8,电流线起始、终止于电荷随时间变化之处：,有电流线发自面内，,面内积累负电荷，电荷密度减小。,有电流线止于面内，,面内积累正电荷，电荷密度增加。,电流线连续地穿过，,面内无电荷积累，电荷密度不变。,9,16.2,稳恒电流和稳恒电场,对稳恒电流,稳恒条件：,稳恒电流：,的分布不随时间变化的电流。,若不随时间变化，则电荷分布也不随时间,变化：,一些电荷从某地流动走的同时，另外,一些等量的电荷必将流动过来进行补充。,电流线闭合,10,稳恒电场与静电场的相同之处：,稳恒电场：,稳恒电流情况下，电荷分布不随,时间变化，则产生的电场不随时间变化。,服从环路定理：,服从高斯定理：,任何电场都服从高斯定理,。,电势和电势差概念仍然适用！,习惯上仍把稳恒电场称为静电场。,11,稳恒电场与静电场的不同之处：,静电场,电荷静止，不激发磁场,静电平衡时导体内部场强为零，,维持静电场不需要能量的转换,稳,恒电场,电荷运动形成电流，激发磁场（静磁场）,伴随能量的转换,导体内部电场不为零，,12,16.3,欧姆定律,均匀导体的电阻：,电导,：,单位：,-1,=S,（西门子）,电导率：,单位：,-1,m,-1,电阻率 单位,：,m,一,.,积分形式,S,U,L,a,b,I,a,b,(,U,=,a,-,b,),R,13,将,积分形式,用于,大块导体中的一小段：,欧姆定律的微分形式,二,.,微分形式,d,l,+d,d,U,d,I,d,S,14,2.,有许多材料不服从欧姆定律。,例如：低压电离气体，半导体材料等，,伏安特性曲线（,U,I,关系）呈非线性。,三,.,欧姆定律的适用范围,1.,比 适用范围广，对,非均匀,导体,成立，,对,非稳恒电流,也成立。,3.,强电场会导致 与 的非线性关系。,4.,理想导体的,，但,不能把超导体简单,地看成是理想导体。,15,R,I,稳恒电流要求电路闭合，否则破坏稳恒条件：,16.4,电动势,只有静电场无法维持稳恒电流，,必需依靠,非静电力,才能使,载流子从有电势变化的电路中,回到原位，形成稳恒电流。,电磁、化学、热、原子,.,-,q,(,t,),q,(,t,),I,一段不闭合电路,q,16,定义,非静电性场强,仿照电势差的定义，定义,电源电动势：,作用是反抗静电场而移动电荷。,是在电源内，把单位正电荷从“”极,移到“”极，做的功 。,（电源内）,17,若 存在于整个回路,L,，则,电动势为：,（如感生,电动势）,注意：,电路中,电势差（电压）由静电场产生：,在回路中，沿,L,由点,1,到点,2,的,电动势：,与路径有关,与路径无关,18,珀耳帖,（,J.,C.,A.,Peltier,）,电动势,：,不同金属中，,因自由电子浓度不同，在接头处产生与温度有关,的扩散，产生电动势。,汤姆孙,（,W.,Thomon,）,电动势,：,在同种金属中，,温差造成自由电子的热扩散，产生电动势。,两种金属接成一个回路，若两,个接头处的温度不同，则回路,中形成,温差电动势：是珀尔帖,电动势与汤姆孙电动势之和。,*,温差电现象,温差电动势,塞,贝克,（,Seebeck,）,电动势,Cu,Fe,I,热接头,冷接头,19,测温热电偶，温差电磁铁,一般,mV/100,C,优点：,热容小，灵敏度高（,10,3,C,）,可逐点测量，测小范围内温度变化,测温范围大（,200,C 2000,C,）,便于自动控制,温差电偶,【,演示,】,T,2,T,1,待测,已知恒温,（,测,）,电位,差计,A,B,C,C,20,证：,1.,导体内部无,净电荷,分布，净电荷只能分布,在导线表面或导体的不均匀处，如电极处，,导线的表面、交界面、弯折处等。,16.5,稳恒电路,所以均匀导体,内部没有净电荷分布。,对均匀导体,为常数，,由稳恒条件得：,一,.,稳恒电路特点,21,2.,外电路的导线内部，电流线与电场线方向,一致（），且必然与表面平行，,否则表面电荷不断堆积，破坏电流稳定性。,3.,电源内部，载流子是在静电力和非静电力,的共同作用下运动，所以电流密度满足：,欧姆定律向稳恒电路的推广,22,把式 从电源内部积分得：,二,.,全电路欧姆定律,I,R,r,U,U,电源端电压,（电源内）,（电源内）,（电源内）,（电源内）,规定：,I,的正向是电源内由“”极指向“”极,23,I,入,=,I,出,I,入,I,出,二端,网络,对电路的节点：,规定：,流出节点,I,0,，流入节点,I,a,，大地,电导率为,。,设接地电流为,I,，,I,大地,h,a,r,31,一般,R,10,-2,，,a,r,I,大地,h,a,r,如何减小接地电阻？,32,当,r,=10,a,时：,即,90%,的电势降落,在,r,=10,a,的范围内。,所以改善接地点附近,的电阻，是减小整个,接地电阻的关键。,a,r,=0.9,U,a,r,I,大地,h,a,r,33,求：,（,1,）,两介质,中的电流密度和电场强度。,（,2,）介质分界面上的总电荷面密度,e,和自由电荷面密度,e,0,。,【,例,3】,在平行板电容器内填充两层导电介质，,厚度、介电常数和电导率分别为（,d,1,1,1,）,和（,d,2,2,2,），设电容器两端电压为,U,。,d,1,d,2,U,34,d,1,d,2,U,解：,（,1,）根据对称性和界面关系可知两介质,中的电流密度相等：,电场强度：,电压关系：,35,解得：,（,2,）在界面选扁柱面作为高斯面,S,：,对此高斯面分别用 和 的高斯定理有：,S,36,37,16.7,电容器的充电与放电,充电：,放电：,u,c,R,i,C,u,c,R,i,C,38,时间常数,特点：,u,c,不能突变,t,u,c,0,Q/C,放电,t,u,c,0,充电,注意：,电容器充放电过程是非稳恒过程,暂态过程，,电场是非稳恒电场,似稳电场,，,一般电路尺寸,l,满足,l,c,似稳条件，,所以低频下,基尔霍夫定律仍适用。,39,时间的电测量,（时幅转换）,可通过测电压来测时间,非电量的电量测,I,I,u,c,q,C,R,K,恒流源,40,*,16.8,电流的一种经典微观图像,（本节为非基本要求，有余力的同学可自学）,41,电流密度,current density,电流强度,electric current strength,基尔霍夫第一定律,Kirchhoff,first law,欧姆定律,Ohm,s,law,电阻,resistance,电阻率,resistivity,电导,conductance,电导率,conductivity,电动势,electromotive force,中英文名称对照表,第十六章结束,42,