第2章 直流电路.docx
- 文档编号:27928562
- 上传时间:2023-07-06
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:456.14KB
第2章 直流电路.docx
《第2章 直流电路.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第2章 直流电路.docx(18页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第2章直流电路
第二章直流电路
第1节欧姆定律
一、电流
1、定义:
通过导体横截面的电荷量q跟这些电荷量通过所用的时间t的比值,叫做电流。
即I=
,单位:
安培(A)。
2、形成电流的条件:
(1)要有自由移动的电荷;
(2)导体内存在电场(导体两端有电压)。
3、方向:
规定正电荷移动的方向为电流方向。
(是标量,但有方向)
4、分类:
(1)直流:
方向不随时间改变的电流叫直流;
(2)恒定电流:
方向和大小都不随时间改变的电流叫做恒定电流。
5、电流的微观表达式:
I=nqSv。
(1)n为导体单位体积内的自由电荷数,q为每个电荷所带电荷量,S为导体横截面积,v为自由电荷定向移动的速率。
(2)推导
导体AB中的自由电荷总数为N=nLS,总电荷量Q=Nq=nLSq,所有电荷通过导体横截面所需时间t=
,根据I=
可得I=nqSv。
二、电阻欧姆定律
1、电阻
R=
,单位:
欧姆(Ω),反映导体对电流阻碍作用的大小。
2、欧姆定律
U=IR或I=
,适用于纯电阻电路。
(思考:
什么是纯电阻电路)
3、伏安特性曲线
1、伏安特性曲线:
通过某种电学元件的电流随电压变化的实验图线。
2、
线性元件:
导体的伏安特性曲线为通过原点的直线,具有这种特点的元件称为线性元件。
可以认为其电阻不随温度变化,R=
=
。
3、非线性元件:
若伏安特性曲线不是直线,则称为非线性元件,R=
≠
。
第2节电阻定律
1、电阻定律
R=
,ρ是电阻率,和导体的构成材料有关,l是电流方向的长度,S是垂直电流方向的横截面积。
适用于温度一定,粗细均匀的金属导体或浓度均匀的电解质溶液。
注意理解R=
和R=
。
二、电阻率
1、物理意义:
电阻率ρ是一个反应材料导电性能的物理量,是导体材料的本身属性,与导体形状、大小无关。
ρ=
,单位:
欧姆·米(Ω·m)。
2、电阻率与温度的关系:
金属的电阻率随温度升高而增大,可制作电阻温度计,有些合金如锰铜、镍铜的电阻率几乎不随温度变化,可制作标准电阻。
当温度降低到绝对零度附近时,某些材料的电阻率突然减小为0,成为超导体。
3、注意理解ρ和R,ρ是反映材料导电性能,R是反映导体对电流的阻碍作用。
第3节电阻的串联、并联及其应用
一、串联电路和并联电路
1、串、并联电路
连接方式
串联
并联
电流路径
只有一条路径,经过一个元件的电流全部经过另一元件。
有多条路径,经过一条支路的电流不经过其它条支路,但都经过干路。
开关控制
一个开关能控制整个电路,且与位置无关。
干路上的开关能控制整个电路,支路上的开关只能控制所在的支路。
电流
I=I1=I2
I=I1+I2
电压
U=U1+U2
U=U1=U2
电阻
R=R1+R2(R大于任一电阻)
1/R=1/R1+1/R2(R小于任一电阻)
比例关系
分压:
U1:
U2=R1:
R2
分流:
I1:
I2=R2:
R1
短路
若R1短路,则R1无电流通过,通过R2的电流变大。
若R1短路,则R1无电流通过,其它支路也无电流通过。
断路
任意一处断开,整个电路无电流。
(互相影响)
某支路断开,该支路无电流,其它支路仍有电流。
(互不影响)
2、几个重要推论
(1)串联电路的总电阻大于其中任一部分电路的电阻。
(2)并联电路的总电阻小于其中任一部分电路的电阻。
(3)几个相同电阻R并联时,总电阻R总=
。
(4)几个相同电阻R串联时,R总=nR。
(5)
无论串联还是并联,其中任一电阻增大或减小,总电阻也随之增大或减小。
两个电阻时,串联R总=R1+R2,并联R总=
。
(6)当一个大电阻和一个小电阻并联时,总电阻接近小电阻;串联时,总电阻接近大电阻。
二、电压表和电流表的改装
1、灵敏电流表G(表头):
通电时,线圈在磁场力作用下带动指针偏转,内阻Rg,满偏电流Ig,满偏电压Ug,Ug=IgRg。
2、电压表和电流表的改装
(1)在表头上并联一个电阻,就可以把小量程的电流表改装成一个较大量程的电流表。
可以看到:
并联电阻R起到了分流的作用,实际上通过表头的最大电流还是等于满偏电流Ig,改装后的电流表的内阻为RA,电流表的最大量程为I。
(2)在表头上串联一个电阻,就可以把小量程的电流表改装成一个较大量程的电压表。
改装电压表
改装电流表
电路
串联电路
并联电路
R的作用
分压
分流
R的计算
电表的总电阻
可以看到:
串联电阻R起到了分压的作用,实际上加在表头两端的最大电压还是等于表头的满偏电压Ug,通过表头的最大电流还是Ig,改装后的电压表的内阻为RV,电压表的最大量程为U。
3、理想电压表和理想电流表:
理想电压表的内阻为无穷大,理想电流表的内阻为零,画等效电路时,把理想电流表视为短路,理想电压表视为断路。
3、限流电路和分压电路
1、限流电路
变阻器起限流作用,待测电阻的电压范围:
。
2、分压电路
变阻器起分压作用,待测电阻Rx的电压可调范围:
0≤Ux≤U。
3、两种连接方式的对比与选择
(1)分压接法待测电阻Rx的电压可调范围较大,若要求回路中某部分电路的分压或电流从零开始连续变化,那么必须选择分压接法。
无要求时,若R>10Rx,应选择限流接法,反之选择分压接法。
(2)限流接法耗电少,分压接法耗电多。
两者都可以时,优先选择限流接法。
(因为分压电路在没有负载时也在耗电,而限流电路只有接上负载时才耗电)
(3)滑动变阻器的电阻远小于被测电阻或电路中串联的其它电阻时,必须选择分压接法。
(接入时对整个电路的电阻调节作用不大)
(4)采用限流接法时,若题目所提供的实验仪器、电表量程或电阻最大允许电流不能满足要求,则选择分压接法。
4、伏安法测电阻
1、原理
用电压表可测出电阻两端的电压U,用电流表可测出通过电阻的电流I,那么R=
。
2、实验电路
(1)测量电路两种接法:
电流表内接法和外接法。
(2)供电电路
供电电路一般由电源和滑动变阻器按一定方式连接:
限流式和分压式。
电流表接在电压表两接线柱外侧,通常叫“外接法”。
电流表接在电压表两接线柱内侧,通常叫“内接法”。
因为电流表、电压表分别有分压、分流作用,因此两种方法测量电阻都有误差。
外接法:
R测=
=
外接法: R测= =RA+Rx>RA,测量值偏大,当Rx>>RA时适用。 3、两种接法的选择 (1)阻值比较法: Rx和Rv、RA粗略比较,进行选择。 (2)临界值当计算法: 当内外接法相对误差相等时,有 ,所以Rx= (RA< 时,用内接法,反之用外接法,Rx= 时,两者皆可。 (3)试触法: 不知Rx时,可按图示方法进行试探,若电流表示数明显变化,说明电压表分流作用较强,即Rx是一个大阻值电阻,则用内接法;若电压表数值明显变化,说明电流表的分压作用强,即Rx是一个小阻值电阻,则用外接法。 总结: 伏安法测电阻电路的选择和误差: “大内偏大,小外偏小”。 即大电阻采用内接法,测量结果偏大,小电阻采用外接法,测量值偏小。 4、必须选择分压式电路的情况 (1)Rx>>R(滑动变阻器最大阻值)时; (2)要求负载上的电压或电流从零开始连续可调; (3)要求负载上的电压或电流变化范围很大。 第4节电源的电动势和内阻闭合电路欧姆定律 一、电源电动势和内阻 1、电源 (1)定义: 电源是将其它形式的能转化为电势能的装置。 (2)作用: 电势能在导体(或电路)两端保持一定的电压,使电路中产生持续的电流。 (3)非静电力 ①定义: 在电源内部正电荷从低电势流向高电势,根据电场知识,静电力不可能使正电荷从低电势流向高电势,那么电源内部必存在一种使正电荷从低电势流向高电势的力,称为“非静电力”。 ②作用: 在电源内部非静电力把正电荷从负极搬运到正极的过程中,克服静电力做功增加电势能。 2、电势能 (1)反映电源把其它形式的能转化为电势能本领的大小,在数值上等于把1C的正电荷在电源内部从负极搬运到正极所作的功。 (2)大小: 等于电源未接入电路时两极间的电势差,用E表示。 3、电源的内部也是一段电路,也有电阻,称为电源的内阻。 2、闭合电路欧姆定律 1、 闭合电路 (1)内电路、电阻、内电压 将电源和用电器连接起来,就构成闭合电路,电源内部的电路叫做内电路。 内电路的电阻叫做内阻,用r表示。 当电路中有电流通过时,内电路的两端电压叫做内电压,用U'表示,U'=Ir。 (2)外电路、外电压(又称路端电压) 电源外部的电路叫外电路。 外电路两端的电压叫外电压,也叫路段电压,用U表示。 2、闭合电路欧姆定律 (1)内容: 在外电路为纯电阻的闭合电路中,电流的大小跟电源的电动势成正比,跟内外电路的电阻之和成反比。 也即是: I= 。 (2)E=I(R+r)=U+U',即电源的电动势等于内外电路电势降落之和。 (3)E=I(R+r)只适用于外电路为纯电阻的闭合电路,E=U+U'适用于所有的闭合电路。 3、路端电压 (1)外电路两端的电压,叫外电压,也就是电源正负极之间的电压。 对纯电阻电路: U=IR=E-Ir=E- 。 4、路端电压U和外电阻R之间的关系 (1)当外电阻R增大时,根据I= 可知,电流I减小,内电压Ir减小,根据U=E-Ir可知路端电压U增大,当外电路断开时,I=0,此时U=E,这是直接测量电压电动势的依据, (2)当外电阻R减小时,电流I增大,内电压Ir增大,U减小,当外电路短路时,R=0,I= (短路电流),U=0。 短路时,电源释放的能量全部在内电路中转化成内能,容易起火。 5、电压表接在电源两极的示数问题 电压表直接接在电源两极时,电压表和电源构成闭合电路,电压表的示数U=IRV= = 。 可以看出,U ≈E。 所以电压表接在电源两极时,其示数约等于电动势,当电压表为理想电压表时,即RV→∞,则U=E,也即是理想电压表接在电源两极时,其示数等于电源电动势。 6、路端电压与电流的关系图像 (1)由U=E-Ir可知,U-I图像是一条斜向下的直线。 (2)纵轴的截距等于电源电动势,横轴截距等于外电路短路时的电流,也即是I0= 。 (3)直线斜率的绝对值等于电源的内阻,即r= = 。 7、电阻的U-I图和电源的U-I图对比 研究对象 一个导体的U—I关系,也叫外电阻的伏安特性曲线。 一个完整电路的U—I关系,也叫电源的伏安特性曲线。 图象形状 A(线性定值电阻) BC(非线性变化电阻) D 相关公式 I=U/R U=E-Ir 横坐标的物理意义 通过电阻的电流 电源的输出电流 纵坐标的物理意义 导体两端的电压 电源的路端电压 横截距的物理意义 短路时的电流大小 纵截距的物理意义 电源的电动势大小 斜率的物理意义 该电阻的大小,R=U/I 电源的内阻大小,求内阻时最好用r=△U/△I 坐标乘积的意义 该电阻消耗的电功率 电源的输出功率或外电路的功率 图像形状的决定因素 仅仅由导体本身决定,与其两端电压和流过的电流无关。 仅由电源的电动势和内阻决定,与外电路无关。 两类图像交点的意义 导体与电源(或等效电源)串联时,交点的横坐标表示流过电源(或等效电源)或导体的电流;交点的纵坐标表示电源(或等效电源)的路端电压或导体两端的电压;交点横纵坐标的乘积表示电源(或等效电源)的输出功率或此时导体消耗的功率。 第5节焦耳定律电路中的能量转化 1、电功和电功率 1、电功: 电场力移动电荷所做的功,简称电功。 W=UIt,U为路端电压。 适用于任何电路,在纯电阻电路中,由于I= ,所以W= = 。 单位为焦耳(J),常用单位还有千瓦时(kW·h),也称“度”,1kW·h=3.6×106J。 电流做功的过程是电能转化为其它形式的能的过程,电功即是电能转化为其它形式的能的量度。 2、电功率 (1)P= =UI,适用于任何电路,在纯电阻电路中P=I2R= ,单位是瓦特(W),1W=1J/s,电功率表示电流做功的快慢。 (2)额定功率: 用电器在额定电压下消耗的电功率。 实际功率: 实际工作中消耗的电功率。 实际功率不能超过额定功率。 (3)串联电路中,由P=I2R知 ,电阻越大,功率越大。 并联电路中,由P= 知P1R1=P2R2=……=U2。 二、焦耳定律热功率 1、电流的热效应: 电流通过导体,做定向移动的自由电子要和金属正离子频繁碰撞,正离子获得动能,热运动增加,内能增加,温度升高,这种现象叫做电流的热效应。 2、电热: 当电流通过电阻时,电流做功而消耗电能,产生了热量(转化为内能),这部分热量叫电热。 3、焦耳定律: Q=I2Rt。 4、热功率: P= =I2R。 5、纯电阻电路和非纯电阻电路比较 纯电阻电路 非纯电阻电路 是否符合欧姆定律 是 否 电功W 电热Q 电功和电热关系 ,电动机: 电功率 热功率 电功率和热功率关系 ,电功机: 典型电路 白炽灯、电炉、电饭锅、电烙铁、电热毯、电熨斗、转子被卡住的电动机 电动机、电风扇、电磁炉、日光灯、微波炉、电视机、电解槽 三、电源的功率和效率 1、电源的有关功率 (1)电源总功率: P总=IE(普遍适用),P总= (只适用于外电路为纯电阻的电路)。 (2)电源内电阻消耗的功率: P内=I2r。 (3)电源的输出功率: P出=IU外(普遍适用),P出=IU= (只适用于外电路为纯电阻的电路)。 2、输出功率随外电阻R的变化规律 (1)电源的输出功率: P出=IU= = (外电路为纯电阻电路),因此,当R=r时,输出功率最大,Pmax= 。 (2)P出与R图像: 当R 3、闭合电路的功率分配关系 P总=P出+P内,即IE=IU+I2r,反映了闭合电路的能量守恒和转化,电源提供的电能一部分消耗在内阻上,一部分输出给外电路。 能量守恒表达式: IEt=IUt+I2rt(普遍适用);IEt=I2Rt+I2rt(只适用于外电路为纯电阻的电路)。 4、电源的效率 (1)定义: η= 。 (2) 如果外电路为纯电阻电路,那么η= = = ,所以外电路电阻越大,电源的效率越高。 (3)当电源输出功率最大时,当R=r时,η=50%。 对某电源来说,外电路电阻越大,路端电压越高,电源输出效率越高,但输出效率不一定越大,只有外电路电阻接近内阻时,输出功率才越大。 四、电动机的能量转化和几个功率的理解 1、电动机的内部电路电阻r产生热量,线圈把电能转化为机械能。 2、几个功率的理解 (1)输入功率: 电动机的总功率,P总=IU。 (2)输出功率: P出=P总-P热,热功率P热=I2r。 (3)电动机的效率: η= ·100%= ·100%。 3、电路分析: 若电动机转动,那么电能转化为机械能和内能。 若电动机不转,这时电能全部转化为内能,此时的电路为纯电阻电路。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第2章 直流电路 直流 电路