第九章--恒定电流

第九章恒定电流9.1电流与电阻一、电流是怎样形成的二、导体的电阻三、部分电路欧姆定律QIt一、电流是怎样形成的电荷的定向移动形成电流。单位时间内通过导体横截面的电量叫做电流。电流的单位：在国际单位制中，电流的单位是安培，简称安，符号是A。电流的常用单位还有毫安（mA）和微安（μA）。1mA=10-3A1μA=10-6A电流的方向：正电荷的定向移动方向。电流的形成：为简单起见，我们讨论金属导体中的电流。一般情况下，金属导体中的自由电子在一刻不停地做无规则的热运动（下左图）。当金属导线与电源连接，构成闭合电路时，自由电子就会在电源产生的电场作用下发生定向移动，形成电流（下右图）。可见，导体中形成电流的条件是：给导体施加外电场。或者说，给导体两端施加电压。二、导体的电阻1．电阻定律在温度不变时，导体的电阻R与它的长度成正比，与它的横截面积S成反比，这就是电阻定律。电阻定律可以表示为SlR式中称为电阻率，反映了材料导电性的高低。的单位分别是、m、m2，的单位是欧姆米，符号是·m。2．电阻率从常见材料电阻率可以看出：银、铜、铝等材料电阻率很小，适合做导体；硬质陶瓷、橡胶等材料电阻率很大，适合做绝缘体；还有一些材料的电阻率介于导体和绝缘体之间，我们称为半导体。导体：材料电阻率很小（10-8～10-6Ω·m）；绝缘体：材料电阻率很大（大于105·m）；半导体：材料电阻率介于导体和绝缘体之间。几种常见材料的电阻率（20℃）3．半导体半导体材料的电阻随温度的升高而减小，利用它的这种特性，可制成热敏电阻、光敏电阻、压敏电阻、晶体管等各种电子元件，并且发展成为集成电路、超大规模集成电路。半导体材料制成的集成块例题一条铜导线长300m，横截面积是12.75mm2，这段铜导线的电阻多大？如果这段铜导线的电阻控制在0.10Ω以内，那么导线的横截面积至少应为多少？解由题给条件81.710m262300m12.75mm12.7510mlS，查得铜的电阻率根据电阻定律得40.01075.12300107.168SlR若需将导线电阻控制在以内，在导线长度不变时，需改变其横截面积，设为10.0RS由SSRR得220.4012.75mm51mm0.10RSSR根据欧姆定律，用电压表测出电阻两端的电压，用电流表测出通过电阻的电流，就可求出电阻。这种测量方法叫做伏安法。RUI三、部分电路欧姆定律1．部分电路欧姆定律RUI通过导体的电流跟导体两端的电压成正比，跟它的电阻成反比。表达式为这就是部分电路欧姆定律。2.伏安法测电阻外接法测电阻内接法测电阻体验与探索取一段镀锌铁丝（直径约为0.30mm），绕成一个螺旋线管，与一个3.8V的小灯泡串联后接到3～4节电池上，使小灯泡正常发光。用酒精灯给铁丝加热，一会儿小灯泡由亮变暗，几乎熄灭；移开酒精灯，小灯泡又逐渐变亮了。请同学们思考一下，这是什么原因？9.2认识多用电表一、多用电表的原理二、表头应用的实例计算一、多用电表的原理1．多用电表的表头（1）内部结构多用电表（下左图）核心部件是表头G。而表头就是一个小量程的电流表，它主要由永磁铁和处于永磁铁磁场中的可以转动的线圈组成（下右图）。从电路角度看，表头就是一个电阻，只不过通过它的电流是可以从刻度盘上读出来。（2）表头的内阻：表头G的电阻Rg。（3）满偏电流：指针偏转到最大刻度时的电流Ig。（4）满偏电压：表头G通过满偏电流时，加在它两端的电压Ug。Ug=IgRg2．从表头到电压表根据串联电路的分压原理，我们在表头上串联一个分压电阻，让这个电阻分担一部分电压。这样，表头和分压电阻一起就构成了一个能够测量较大电压的电压表了。3．从表头到电流表根据并联电路的分流原理，我们在表头上并联一个阻值较小的分流电阻。这样，表头和分流电阻一起就构成了一个能够测量较大电流的电流表了。二、表头应用的实例计算例题1有一表头G，内阻Rg=1k，满偏电流Ig=100A，把它变成量程为2V的电压表，要串联一个多大的电阻R？改成后电压表的内阻Rv多大？分析电压表V由表头G和电阻R组成。如右图中虚线框内所示。所谓量程为2V，意思是当电压表V两端的电压U=2V时，表头G分担的电压为满偏电压Ug,通过表头G的电流为满偏电流Ig，指针指在最大刻度处，而最大刻度直接标以2V。例题2将上题中表头G变成量程为1A的电流表，要并联一个多大的分流电阻R？分析电流表A由表头G和电阻R组成。如右图中虚线框内所示。所谓量程为1A，意思是通过电流表A的电流I=1A时，通过表头G的电流为满偏电流Ig，最大刻度直接标以1A。下图所示为一个多量程多用电表电路示意图，请仔细观察和分析，说出哪些位置是电流挡，哪些位置是电压挡，哪些位置的量程比较大，并说明理由。体验与探索9.3闭合电路欧姆定律一、电源电动势二、闭合电路欧姆定律三、电路的开路状态和短路状态酸性铅蓄电池，其负极是纯铅，正极是二氧化铅，电解是稀硫酸。在交通工具，信号设备，电话通信及实验室中作电源。.硅光电池，把光能直接转换为电能的半导体光电器材，体积小，重量轻，寿命长。应用于光电检测电路，也常用在人造卫星，宇宙飞船中。一、电源电动势1．电源电路中要形成持续的电流，电路两端必须有恒定的电压，能起这种作用的装置叫做电源。银锌电池，以锌为负极，氧化银为正极，重量轻，寿命长。多用于电子手表，助听器，通信设备及导弹和人造卫星上作电源。2．电动势电源的电动势在数值上等于电源没有接入电路时两极间的电压。电动势用符号E表示。电动势的单位是伏特。外电阻R：外电路的电阻常称为外电阻。内阻r：内电路的电阻，即电源内电阻。外电压U外：外电路两端的电压叫外电压。U外=IR内电压U内：内电路中内电阻上的电压叫内电压。U内=Ir二、闭合电路欧姆定律1．外电路、内电路用导线把电源和用电器连接起来，就组成了闭合电路。外电路：电源外部的电路，叫做外电路，包括用电器和导线等。内电路：电源内部的电路叫做内电路，如发电机的线圈、电池内的溶液等。闭合电路中的电流跟电源的电动势成正比，跟内外电路的电阻之和成反比，这个结论叫做闭合电路的欧姆定律。2．闭合电路欧姆定律在闭合电路中，电源电动势E等于外电压U外和内电压U内之和，用公式表示为E=U外+U内。即IrIRE所以rREI例题在右图所示的电路中，R1=14Ω，R2=9.0Ω。单刀双掷开关S掷于1时，测得的电流I1=0.20A；当S掷于2时，测得的电流I2=0.30A。求电源的电动势E和内电阻r。解根据闭合电路的欧姆定律开关S掷于1时E=I1(R1+r)开关S掷于2时E=I2(R2+r)消去E得I1(R1+r)=I2(R2+r)所以122211IIRIRIr代入已知条件得0.120.030.00.930.01420.0rE=I1(R1+r)=0.20(14+1.0)V=3.0VrrREEIrEU路端电路随着外电阻R的改变而改变。当外电阻增大时，路端电压也增大；当外电阻减小时，路端电压也减小。三、电路的开路状态和短路状态1．路端电压路端电压：外电路两端的电压即外电压，也叫路端电压。2．开路当外电路断开时，称电路处于开路状态。U=E即开路时，路端电压等于电源的电动势3．短路当外电路短路时，也称电路处于短路状态。U=0，rEI短路即短路时，路端电压等于零。例题1已知电源电动势E=1.5V，内电阻r=0.20，外电路电阻R=2.8。求：（1）电路中的电流、路端电压和短路电流。（2）电源输出的功率。1.5A0.50A2.80.20EIRr(1.50.500.20)V1.4VUEIr5.720.05.1rEIout0.501.4W0.70WPIU解（1）由闭合电路的欧姆定律和路端电压的公式得电流路端电压短路电流（2）电源的输出功率体验与探索1．如下图所示，逐一闭合开关，请同学们思考一下，灯泡的亮度会不会发生变化？为什么？2.如下图所示,在A、B之间接入额定电流为1A的保险丝，接通开关S，电路正常工作，灯泡正常发光。接着断开开关S，在C、D之间接入一条铜线造成短路，接通开关S，观察所发生的现象，并说出保险丝的作用。9.4电路中的能量转化一、电功与电热的关系二、闭合电路中的能量转化关系一、电功与电热的关系1．什么的电功电功：电流通过一段电路时所做的功称为电功电功表达式：W=UIt在国际单位制中，W、U、I、t的单位分别为J、V、A、s。上式表明，电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U、电路中的电流I和通电时间t三者的乘积。2．什么的电热电流通过导体产生的热量与电流强度的平方、导体的电阻和通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律。用公式表示RtIQ2公式中，Q表示热量，常被叫做焦耳热或电热。在国际单位制中，电热单位为J。电能一部分转化成热能，另一部分转化成机械能、化学能等其它形式的能(图b)。电路产生的热量为RtItRUUItWQ22图a3．电热与电功的关系电流所做的功W=UIt与电流产生的热量相等，电能全部转化为电路的热能（图a）。即（1）纯电阻电路（如白炽灯、电炉、电热器等）（2）非纯电阻电路（例如，含有电动机或电解槽等）RtIQ2图b二、闭合电路中的能量转化关系根据闭合电路欧姆定律，E=U+U内，在其两边同时乘以It，则有EIt=UIt+U内It上式中，EIt表示电源提供的电功，UIt表示外电路上消耗的电功，U内It表示内电路上消耗的电功。因此得出:电源提供的电能，一部分消耗在外电路上，另一部分消耗在内电路上，而总能量是守恒的。1.电源的总功率:P总=EI2.电源的输出功率:P出=UI3.电源的效率:%100%100EUEIUI例题1一台直流电动机，额定电压为U=110V，电阻R=2.0Ω，正常工作通过的电流I=5.0A。求：(1)电动机消耗的电功率P；(2)电动机消耗的热功率PQ；(3)电动机工作10min,消耗了多少电能？其中有多少电能转化为机械能，有多少电能转化为焦耳热？(4)电动机的效率。1105.0W550WPUI225.02.0W50WQPIR解(1)负载是非纯电阻电路，电功率为(2)电动机消耗的热功率为(3)电动机工作10min,消耗的电能55501060J3.310JWPt其中转化为焦耳热的电能4501060J3.010JQQWPt转化为机械能的电能5453.30103.010J3.010JQ(4)电动机的效率%9.90909.0103.3103.055总WW例题2输电线的电阻R=1.0Ω，电站的输出功率P=100kW。求下述两种情况下输电线上发热损失的功率。（1）用10kV的电压输电；（2）用400V的电压输电。解输电方式如右图所示，输电线的等效电阻R与负载串联，负载不一定是纯电阻，线路中的电流UPI(1)U=10kV时，输电线上发热损失的功率5222241.010()()1.0W1.010W1.010QPPIRRU(2)U′=400V时，输电线上发热损失的功率52241.010()()1.0W6.310W400QPPRU输电线上发热损失的功率，用10kV的电压输电时比用400V的电压输电时小得多。因此，远距离输电必须使用高电压。