电磁学第十五讲.ppt

4. 欧姆定律的失效问题——j与E (I与U) 线性否 1) 电场很强 (金属中E >103-104V/m) 时，u~ ，计算 时不可忽略与电场有关的u，即 ，→j与E的关系非线性。另，高速运动电子与晶格碰撞可使正离子进一步电离，n=n(E)，加剧j和E间的非线性。 2) 低气压下的电离气体， 从而导致欧姆定律失效，理由同前。 3) 晶体管、电子管，其导电机制导致I与U非线性。 4) 高频交变电场中的导体内，稳恒条件不成立。 5) 各向异性导体的?是张量，j与E不同向。 6) 超导体中。 第十五讲 2010-04-22第四章 稳恒电流 §4.1 稳恒条件 §4.2 欧姆定律与焦耳定律 §4.3 电源与电动势 §4.4 基尔霍夫定律 §4.5 稳恒电流与静电场的综合求解 4.3 电源与电动势 如何产生稳恒电流？ 电流线闭合vs电场线不闭合，但 j//E，似有矛盾！ 破解：非静电力，助正电荷从低电势→高电势。 常见的非静电力 溶液中离子对极板的化学亲和力； 与温度梯度和电子浓度梯度相联系的扩散作用； 光伏效应； 核力 (?放射性源)； 磁场对运动电荷的洛伦兹力； 变化磁场产生的涡旋电场对电荷的作用力。 1. 电源与电动势 提供非静电力的装置称电源。作用之一：在电源内部提供非静电力，将正电荷从负极搬运到正极，如右图所示。 单位正电荷所受非静电力用K表示，电路断开时K与E反向。 当电路接通时，电源的作用之二是，通过极板及外电路各处累积的电荷在电路中产生静电场E，使电流经外电路由正极指向负极。 综上所述，电荷q在电路受力情况是 在外电路F?qE，在电源内F?q(K+E)。 已经由F?qE得到了外电路欧姆定律 j??E， 类比，可由F?q(K+E) 得到电源内欧姆定律 j??内(K+E) 实际应用中，描述电源的性质，更常用的不是K，而是电动势?，它定义为 可通过与电势比较来理解电动势的物理意义，其单位也是伏特。 2. 常见的几种电源 1) 化学电池 通过化学反应提供非静电力，将化学能转换为电能，使正、负电荷分离并在两极板上累积，形成两极间的电势差。 最先发明的电源之一——伏打电池，由浸在稀硫酸溶液中一块铜 片和一块锌片组成。化学反应使铜片带正电形成正极，锌片带负电形成负极。 后来改进为丹聂耳电池。它是一种蓄电池，可以充放电。 各类干电池和蓄电池、银锌纽扣电池、锂电池等都是化学电池。 2) 光电池 光能转化为电能的装置，如太阳能电池。电池吸收光能，产生光生电子?空穴对，电池两端积累异号电荷，产生电压→光生伏打效应。 3) 温差发电器 利用温差电效应把热直接转化成电能的装置。 4) 核能电池 这种电池将核能直接转化为电能。 5) 直流发电机 通过电磁感应 (见第七章) 将机械能，如水的势能和风的动能转换为电能。 3. 全电路欧姆定律 当电源两极断开、电源内部处于平衡状态时， E+K?0. 当外电路接通时，电路中将出现电流，这时有 E+K? j/?. 电源两端的电压 (路端电压)，等于静电力把单位正电荷从正极移到负极所做的功，即 经电源内部积分可得 将上两式以及电动势的定义式代入前页最后式得 U???Ir. 该式就是全电路欧姆定律，式中r为电源内阻。 第二项取负号表明电流的正向在电源内部由负极指向正极。 外电路： ，R是外电路的电阻。 ? ??IR+Ir=I(R+r). 说明：稳恒电路的特点 电动势?和内阻r是电源的两个特征量，由电源的性质确定，与外电路无关。 路端电压U与电路电流I有关。开路 (I=0) 时U??，开路的路端电压等于电动势。 用伏特计测量电源电动势，伏特计的R越大，I便越小，测得的U越接近? (r一般很小)。 应避免使电源短路，因电源内阻小，短路造成很大电流，烧坏电源。 外电路的均匀导体中，无净电荷。 ??j?0→??E?0→?e?0. 4. 稳恒电路中静电场的作用 主要体现在两个方面： 1) 调节电荷分布 为使电流达到稳恒，静电场不仅调节导线表面的电荷分布，还调节不同导体界面上的电荷分布，以及非均匀导体内的体电荷分布。 2) 作为能量的中转。 在不存在非静电力的地方，静电场将正电荷从高电势处送到低电势处，做正功，使电场能减少。 在存在非静电力的地方，非静电力将正电荷从低电势处送到高电势处，反抗静电场作功，消耗非静电能，使电场能增加。 在闭合电路中，静电场的总功为零。电路上消耗的能量归根到底是非静电力提供的。 §4.4 基尔霍夫定律 中学：简单电路，欧姆定律可解 (串、并联) 现在：复杂电路，基尔霍夫定律才能解 1.