高中物理競賽 穩恆電流基本知識

2022-03-13 17:00:59 字數 2782 閱讀 8403

b、基爾霍夫第二定律:在電路中任取一閉合迴路,並規定正的繞行方向,其中電動勢的代數和,等於各部分電阻(在交流電路中為阻抗)與電流強度乘積的代數和。

例如,在圖8-2中,針對閉合迴路① ,有

ε3 ε2 = i3 ( r3 + r2 + r2 ) 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、yδ變換

在難以看清串、併聯關係的電路中,進行「y型δ型」的相互轉換常常是必要的。在圖8-3所示的電路中

☆同學們可以證明δ→ y的結論…

rc =

rb =

ra =

y→δ的變換稍稍複雜一些,但我們仍然可以得到

r1 =

r2 =

r3 =

三、電功和電功率

1、電源

使其他形式的能量轉變為電能的裝置。如發電機、電池等。發電機是將機械能轉變為電能;乾電池、蓄電池是將化學能轉變為電能;光電池是將光能轉變為電能;原子電池是將原子核放射能轉變為電能;在電子裝置中,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,內阻則定義為沒有電動勢時電路通過電源所遇到的電阻。據此不難推出相同電源串聯、併聯,甚至不同電源串聯、併聯的時的電動勢和內阻的值。

例如,電動勢、內阻分別為ε1 、r1和ε2 、r2的電源併聯,構成的新電源的電動勢ε和內阻r分別為(☆師生共同推導…)

ε =r =2、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。單位時間內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,對於不含源的純電阻,電功和焦耳熱重合,電功率則和熱功率重合,有w = i2rt = t和p = i2r = 。

對非純電阻電路,電功和電熱的關係依據能量守恆定律求解。

四、物質的導電性

在不同的物質中,電荷定向移動形成電流的規律並不是完全相同的。

1、金屬中的電流

即通常所謂的不含源純電阻中的電流,規律遵從「外電路歐姆定律」。

2、液體導電

能夠導電的液體叫電解液(不包括液態金屬)。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,但它在溶液裡受水分子的作用就會離解成銅離子cu2+和硫酸根離子s,它們在電場力的作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)同時產生化學反應的過程叫作「電解」。電解的結果是在兩個極板上(或電極旁)生成新的物質。

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的質量和電流強度、跟通電時間成正比。表示式:

m = kit = kq (式中q為析出質量為m的物質所需要的電量;k為電化當量,電化當量的數值隨著被析出的物質種類而不同,某種物質的電化當量在數值上等於通過1c電量時析出的該種物質的質量,其單位為kg/c。)

法拉第電解第二定律:物質的電化當量k和它的化學當量成正比。某種物質的化學當量是該物質的摩爾質量m(克原子量)和它的化合價n的比值,即 k = ,而f為法拉第常數,對任何物質都相同,f = 9.

65×104c/mol 。

將兩個定律聯立可得:m = q 。

3、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可以定向移動的離子或電子。按照「載流子」出現方式的不同,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,通電的燈絲也會發射電子,這些「載流子」均會在電場力作用下產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,由於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,這種現象稱為二次電子發射。碰撞電離和二次電子發射使氣體中在很短的時間內出現了大量的電子和正離子,電流亦迅速增大。

這種現象被稱為自激放電。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、超導現象

據金屬電阻率和溫度的關係,電阻率會隨著溫度的降低和降低。當電阻率降為零時,稱為超導現象。電阻率為零時對應的溫度稱為臨界溫度。超導現象首先是荷蘭物理學家昂尼斯發現的。

超導的應用前景是顯而易見且相當廣闊的。但由於一般金屬的臨界溫度一般都非常低,故產業化的價值不大,為了解決這個矛盾,科學家們致力於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乙個熱門領域。當前人們的研究主要是集中在合成材料方面,臨界溫度已經超過100k,當然,這個溫度距產業化的期望值還很遠。

5、半導體

半導體的電阻率界於導體和絕緣體之間,且ρ值隨溫度的變化呈現「反常」規律。

組成半導體的純淨物質這些物質的化學鍵一般都是共價鍵,其穩固程度界於離子鍵和金屬鍵之間,這樣,價電子從外界獲得能量後,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,形成p型半導體。典型的p型半導體是矽中摻入微量的硼。如果摻入五價元素,共價鍵中將形成電子多餘的局面,使電子載流子顯著增多,形成n型半導體。

典型的n型半導體是矽中摻入微量的磷。

如果將p型半導體和n型半導體燒結,由於它們導電的載流子型別不同,將會隨著組合形式的不同而出現一些非常獨特的物理性質,如二極體的單向導電性和三極體的放大性。

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