2021-2022学年高二物理竞赛课件：恒定电流和导电规律.pptx

恒定电流和导电规律12 纯纯金金属属线线膨膨胀胀系系数数要要小小得得多多，可可忽忽略略其其长长度度和和截面积变化，截面积变化，R=R0(1+t)，可制成，可制成电阻温度计电阻温度计。常常用用电电阻阻温温度度计计有有铜铜电电阻阻温温度度计计(-50 150)和铂电阻温度计和铂电阻温度计(-200 500)。=0(1+t)，为电阻温度系数为电阻温度系数。各种材料的电阻率都随温度而变化。在通常各种材料的电阻率都随温度而变化。在通常温度范围内，金属材料的电阻率随温度作线性温度范围内，金属材料的电阻率随温度作线性变化，变化关系可以表示为变化，变化关系可以表示为 3 电电阻阻率率单单位位m(欧欧姆姆 米米)。电电阻阻率率的的倒倒数数为为电电导导率率(conductivity)用用 表示，单位是表示，单位是S m-1(西门子西门子/米米)。某些材料电阻率在其特定温度某些材料电阻率在其特定温度TC以下减小到接近以下减小到接近零的现象称为零的现象称为超导现象超导现象。处于超导状态的材料为处于超导状态的材料为超导体超导体(superconductor)。TC称为称为超导转变温度超导转变温度，不同材料具有不同，不同材料具有不同TC。钛。钛的的TC为为0.39K，铝为，铝为1.19K，铅为，铅为7.2K，Hg-Ba-Ca-Cu-O系氧化物为系氧化物为134K等。等。4高温超导体高温超导体高温超导体通常是指在液氮温度（高温超导体通常是指在液氮温度（77 K77 K）以上超）以上超导的材料。人们在超导体被发现的时候（导的材料。人们在超导体被发现的时候（19111911年年），就被其奇特的性质（即零电阻，反磁性，和），就被其奇特的性质（即零电阻，反磁性，和量子隧道效应）所吸引。量子隧道效应）所吸引。高温超导体包括四大类：高温超导体包括四大类：90K90K的稀土系，的稀土系，110K110K的的铋系，铋系，125K125K的铊系，和的铊系，和135K135K的汞系。它们都含有的汞系。它们都含有铜和氧，因此也总称为铜氧基超导体。它们具有铜和氧，因此也总称为铜氧基超导体。它们具有类似的层状结晶结构，铜氧层是超导层。类似的层状结晶结构，铜氧层是超导层。5 例例1：一块扇形碳制电极厚为一块扇形碳制电极厚为t，电流从半径为，电流从半径为r1的端面的端面S1流向半径为流向半径为r2 的端面的端面S2，扇形张角为，扇形张角为，求：求：S1和和S2之间的电阻。之间的电阻。dr 平行于电流方向，平行于电流方向，dS 垂直于电流方向。垂直于电流方向。r1r2 tS1S2解解：7欧姆定律欧姆定律(Ohms law)取取长长 l 截截面面积积 S的的细细电电流流管管，根根据据欧欧姆姆定定律律 I=U/R，其中，其中 I=j S，U=E l，R=l/S，反映了金属导体导电的基本特性反映了金属导体导电的基本特性，电阻是常量，电流与电势差成正比。电阻是常量，电流与电势差成正比。适用于金属导体，电解液和熔融盐。适用于金属导体，电解液和熔融盐。反映金属导体中任意一点上反映金属导体中任意一点上 j与与E之间的关系。之间的关系。适用于恒定电流的情形和变化的电流场。适用于恒定电流的情形和变化的电流场。R是与是与U 和和I 无关的常量。无关的常量。欧姆定律的微分形式：欧姆定律的微分形式：8 例例2：长为长为a半径为半径为R1、R2的金属圆筒内、外缘电的金属圆筒内、外缘电势差为势差为U，电阻率为，电阻率为 ，求圆筒的径向电流。，求圆筒的径向电流。解解1：取半径取半径r和和r+dr作两个圆柱面作两个圆柱面 柱面面积为柱面面积为S=2p pra，柱面间电阻为，柱面间电阻为径向总电阻为径向总电阻为由欧姆定律由欧姆定律得径向电流得径向电流9 解解2：由对称性知，圆柱面上各点的电流密度由对称性知，圆柱面上各点的电流密度 j 大小相等方向沿径向向外，通过半径大小相等方向沿径向向外，通过半径r 的柱面的柱面S 的的电流为：电流为：由欧姆定律微分形式由欧姆定律微分形式求圆筒的电场分布为求圆筒的电场分布为圆筒内外缘圆筒内外缘的电势差为的电势差为径向电流为径向电流为10 电流通过一段电路时，电场力对电荷做功，电流通过一段电路时，电场力对电荷做功，电势能转化为其它形式能量。电势能转化为其它形式能量。电电场场力力作作的的功功称称为为电电流流的的功功或或电电功功。电电流流作作功功为为dA=dqU=IUdt,U从从A到点到点B电势降落。电势降落。电流作的总功电流作的总功 A=IUt，电功率电功率为为 11单单位位导导体体体体积积的的热热功功率率为为热热功功率率密密度度p=E2,为为焦焦耳定律的微分形式耳定律的微分形式。Q=A=I2R t,P=I2R，由由焦焦耳耳通通过过实实验验获获得得，称称为为焦焦耳定律。耳定律。如果这段电路只是由导线和电阻组成，电势能如果这段电路只是由导线和电阻组成，电势能的降低即全部转变为热能，则的降低即全部转变为热能，则在电流场中一细电流管运用焦耳定律，得在电流场中一细电流管运用焦耳定律，得 P=I2R=(j S)2(l/S)=j2(l S)=j2 )=E2 12 要在导体内产生恒定电流，必须在导体内维要在导体内产生恒定电流，必须在导体内维持稳恒的电场，也就是在导体的两端维持稳恒持稳恒的电场，也就是在导体的两端维持稳恒的电势差。的电势差。仅靠静电力不能实现这一目的。仅靠静电力不能实现这一目的。必须有必须有非静电力非静电力把正电荷从低电势端搬到高电把正电荷从低电势端搬到高电势端，才能在导体两端维持有稳恒的电势差。势端，才能在导体两端维持有稳恒的电势差。13 提供非静电力的装置就是电源，提供非静电力的装置就是电源，如如化学电池、硅太阳能电池、发电机等。化学电池、硅太阳能电池、发电机等。电源是把其它形式的能量转换为电能电源是把其它形式的能量转换为电能的装置。的装置。+单位正电荷所受的非静电力，定义为非静电性单位正电荷所受的非静电力，定义为非静电性电场的电场强度，用电场的电场强度，用K表示。表示。静电力使正电荷从高电位到低电位。非静电力使静电力使正电荷从高电位到低电位。非静电力使正电荷从低电位到高电位。正电荷从低电位到高电位。14 在在电电源源内内部部，即即内内电电路路电电荷荷同同时时受受到到恒恒定定电电场场和和非非静静电电性性电电场场的的作作用用，而而在在外外电电路路却却只只有有恒恒定定电场的作用。电场的作用。遵从环路定理，上式化为遵从环路定理，上式化为 因此，在电荷因此，在电荷q沿电路运行一周的过程中，沿电路运行一周的过程中，各各种电场所作的总功为种电场所作的总功为:15 电电源源的的电电动动势势 定定义义为为单单位位正正电电荷荷沿沿闭闭合合电电路路运运行行一一周周非非静静电电力力所所作作的的功功，表表征征电电源源将将其其它它形形式的能量转变为电能的本领。式的能量转变为电能的本领。非静电性电场只存在于电源内部，其方向沿电非静电性电场只存在于电源内部，其方向沿电源内部从负极指向正极。考虑到一般情形，非静源内部从负极指向正极。考虑到一般情形，非静电性电场可能存在于整个电路，于是电性电场可能存在于整个电路，于是 是标量，可取正、反两种方向。是标量，可取正、反两种方向。我们规定，从我们规定，从负极经电源内部到正极的方向为电动势的方向。负极经电源内部到正极的方向为电动势的方向。