恒定电路的电源与导电机制优秀PPT.ppt

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1、恒定电路的电源与导电机制你现在浏览的是第一页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编电路的分类电路的分类n直流电路直流电路：n交流电路交流电路：n暂态电路暂态电路：定定态态电电路路你现在浏览的是第二页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编 恒定恒定电路电路1恒定电路中的电源恒定电路中的电源 p294/p2982各种导体的导电机制各种导体的导电机制你现在浏览的是第三页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编电源的电动势、内阻和路端电压n路端电压路端电压 外电路上电场力做功外电路上电场力做功沿电源内部沿电源内部积分积分你现在浏览的是第四页，共19页2022/1

2、2/3北京大学物理学院王稼军编闭合电路欧姆定律闭合电路欧姆定律 nI=0,内阻电势降落为内阻电势降落为0，U=n外电路开路或电势得到补偿外电路开路或电势得到补偿nr=0,无论电流沿什么方向，是否为无论电流沿什么方向，是否为0，U=n电压恒定电压恒定理想电压源理想电压源n任一电源可以看成任一电源可以看成理想电压源串联一个内阻理想电压源串联一个内阻 r外外 阻阻上上 电电势降势降内阻上电势降内阻上电势降你现在浏览的是第五页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编电源的功率电源的功率 n闭合电路的电源所提供的总功率闭合电路的电源所提供的总功率 什么情况什么情况下输出功下输出功率最大？率最

3、大？n电源的效率：电源输出功率与电源总功率之比电源的效率：电源输出功率与电源总功率之比n负载电阻越大，效率越高负载电阻越大，效率越高 n要求获得最大输出功率与电源效率高不能同时满足要求获得最大输出功率与电源效率高不能同时满足（输变电路输变电路；无线电设备无线电设备）你现在浏览的是第六页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编温温差差电电n形成温差电动势的非静电力与热现象有关形成温差电动势的非静电力与热现象有关 n汤姆孙效应及电动势汤姆孙效应及电动势 n因温度不均匀引起的热扩散因温度不均匀引起的热扩散等效于一种非静电力等效于一种非静电力n类类似似气气体体分分子子热热运运动动，自自由由

4、电电子子从从高温端向低温端扩散高温端向低温端扩散n宏宏观观上上等等效效于于一一个个非非静静电电力力K导致电荷迁移导致电荷迁移n在在导导体体两两端端，有有电电荷荷积积累累E，反抗反抗KnE+K0，达到平衡，达到平衡n瞬间完成瞬间完成吸热吸热汤姆孙系数汤姆孙系数(T)10-5V/C你现在浏览的是第七页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编n此电流过程此电流过程K作正功作正功n吸热吸热转化成电势能转化成电势能n此电流过程此电流过程K作负功作负功n电势能降低电势能降低放热放热n 汤姆孙效应是热汤姆孙效应是热电转换效应电转换效应n 可逆（不同于焦耳热）可逆（不同于焦耳热）n (T)与材料的

5、性质有关与材料的性质有关 n用同种金属，用同种金属，只依靠汤姆孙电动势，只依靠汤姆孙电动势，也不能在闭合回路内建立恒定电流。也不能在闭合回路内建立恒定电流。你现在浏览的是第八页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编佩尔捷效应及其电动势佩尔捷效应及其电动势 n密度不均匀引起的电子扩散密度不均匀引起的电子扩散等效于一种非静电力等效于一种非静电力吸热吸热 K作正功作正功电势能提高电势能提高放热放热 K作负功作负功电势能降低电势能降低在单一温度下只依靠珀耳帖电动势不能在单一温度下只依靠珀耳帖电动势不能在闭合回路内建立恒定电流在闭合回路内建立恒定电流 你现在浏览的是第九页，共19页2022

6、/12/3北京大学物理学院王稼军编温差电动势温差电动势 n闭合回路是由两种金属闭合回路是由两种金属A、B组成的，组成的，接头接头1、2温度分别为温度分别为T1，T2 n 在接头在接头1、2两处形成了两处形成了佩尔捷佩尔捷电动势大小不等电动势大小不等n 在金属在金属A和和B内分别形成的内分别形成的汤姆孙汤姆孙电动势的大小也电动势的大小也 不相等不相等温差电动势温差电动势n 温差电动势温差电动势存在于整个闭合回路上，在它的推动存在于整个闭合回路上，在它的推动 下，闭合回路中形成恒定电流下，闭合回路中形成恒定电流 电动势存在于整个闭合回路电动势存在于整个闭合回路你现在浏览的是第十页，共19页2022

7、/12/3北京大学物理学院王稼军编应用应用 n温差电偶（如图）温差电偶（如图）n主要用于测量温度主要用于测量温度n优点是，测量范围广优点是，测量范围广n受热面积和热容量都可以做得很小，可测量微受热面积和热容量都可以做得很小，可测量微小的温度变化或微小的热量小的温度变化或微小的热量 你现在浏览的是第十一页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编半导体的温差效应半导体的温差效应 n金属中的温差电动势约为金属中的温差电动势约为 0一一10 V C n半导体中同样存在着以上三种效应，半导体中同样存在着以上三种效应，而且更为显著，常为几百而且更为显著，常为几百 V C，甚至达到几，甚至达到几

8、mV C n温差电堆温差电堆发电发电 n半半导导体体的的佩佩尔尔捷捷效效应应较较强强，可可用用于于致致冷冷(使使电电流流反反向向)温差发电和致冷的效率都并不高温差发电和致冷的效率都并不高n优优点点：无无转转动动部部件件、结结构构简简单单、寿寿命命长长、可可靠靠、反反应应快快、易控制、可小型化、无噪声、无干扰、污染等易控制、可小型化、无噪声、无干扰、污染等 n适适用用于于某某些些特特殊殊的的场场合合。如如太太阳阳能能汽汽车车和和空空间间站站及及人人造造卫卫星中的太阳能电池星中的太阳能电池 你现在浏览的是第十二页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编金属导电的经典电子论金属导电的经典

9、电子论 p305/p306n有关金属的第一个理论模型有关金属的第一个理论模型 n1900年特鲁德（年特鲁德（PaulDrude）提出）提出n把把气气体体分分子子运运动动论论用用于于金金属属，提提出出了了经经典典的的金金属自由电子气体模型属自由电子气体模型n金属自由电子气体模型金属自由电子气体模型 n晶格（离子实）变化可以忽略晶格（离子实）变化可以忽略 n价电子，可以脱出成为独立、自由的电子价电子，可以脱出成为独立、自由的电子 你现在浏览的是第十三页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编金属自由电子气体模型假定金属自由电子气体模型假定 n除了电子与晶格碰撞一瞬间以外，除了电子与晶格

10、碰撞一瞬间以外，忽略电子与晶格忽略电子与晶格之间之间的相互作用，即的相互作用，即“自由电子近似自由电子近似”n忽略电子与电子之间忽略电子与电子之间的相互作用，即所谓的的相互作用，即所谓的“独立电独立电子近似子近似”n电子与离子实的碰撞是电子与离子实的碰撞是随机的瞬间事件随机的瞬间事件，碰撞会，碰撞会突然突然改变电子速度改变电子速度（包括大小和方向），在相继两次碰撞（包括大小和方向），在相继两次碰撞间，电子作直线运动，遵从牛顿定律；同时碰撞还会间，电子作直线运动，遵从牛顿定律；同时碰撞还会使电子达到热平衡，碰撞后的电子速度方向是随机的使电子达到热平衡，碰撞后的电子速度方向是随机的n金属中自由电子

11、的运动和单原子的理想气体非常相似。金属中自由电子的运动和单原子的理想气体非常相似。你现在浏览的是第十四页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编n金金属属中中自自由由电电子子作作无无规规则热运动则热运动n其其平平均均速速率率为为v105m/s，n电电子子在在各各个个方方向向运运动动的的机会均等机会均等n因因此此无无规规热热运运动动速速度度的的矢量和为零。矢量和为零。n自由电子的运动相当复自由电子的运动相当复杂杂n固有的不规则运动外固有的不规则运动外n因电场的作用，将获得因电场的作用，将获得与场强方向相反的加速与场强方向相反的加速度度,并做有规则的定向运并做有规则的定向运动动un而电

12、子与晶格碰撞又不而电子与晶格碰撞又不断破坏定向运动断破坏定向运动 v你现在浏览的是第十五页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编 n n推导推导 ：n质量为质量为m，所带电量为，所带电量为-e自由电子受自由电子受恒定电场作用而获得定向加速度恒定电场作用而获得定向加速度a n n近似：近似：n假定电子与晶格点阵假定电子与晶格点阵只要碰撞一次，它所获得的定向速只要碰撞一次，它所获得的定向速度就消失度就消失，接着又重新开始作定向初速度为零的加速，接着又重新开始作定向初速度为零的加速运动运动自由程自由程 n设电子在两次碰撞之间的平均飞行时间为设电子在两次碰撞之间的平均飞行时间为，则在第二

13、次，则在第二次碰撞之前，电子所获得的定向速度为碰撞之前，电子所获得的定向速度为 初速初速0一个自由程内速度与加速度一个自由程内速度与加速度方向一致，解释了方向一致，解释了j与与E处处处处方向一致方向一致你现在浏览的是第十六页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编电流密度电流密度 j 电子数密度电子数密度 n 的关系的关系n自由电子数密度：自由电子数密度：n；n电子电量的绝对值：电子电量的绝对值：e；n设所有电子均以同一定向运设所有电子均以同一定向运动速度动速度u运动运动n则则t t时间内，通过导体内任时间内，通过导体内任一面元迁移的电量为一面元迁移的电量为q 考虑方向考虑方向你现

14、在浏览的是第十七页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编n电导率电导率与电子与电子、v、n的微观平均量相联系，是微观平均的微观平均量相联系，是微观平均量的宏观体现；量的宏观体现；n从经典电子论的观点看电导率和电阻率确实与温度有关，从经典电子论的观点看电导率和电阻率确实与温度有关，温度升高，电阻率增大，电导率减小温度升高，电阻率增大，电导率减小 n只能定性地说明电子的导电规律。由它算出的电导只能定性地说明电子的导电规律。由它算出的电导 率与实验数据相差甚远率与实验数据相差甚远n经典理论在解释电子的运动时存在不可克服的困难经典理论在解释电子的运动时存在不可克服的困难 正确的导电理论只

15、能建立在量子理论的基础上正确的导电理论只能建立在量子理论的基础上 你现在浏览的是第十八页，共19页2022/12/3北京大学物理学院王稼军编例题例题 n设铜导线中的电流密度为设铜导线中的电流密度为2.4 A/mm2,铜的铜的自由电子数密度自由电子数密度 ，求自由，求自由电子的漂移速度电子的漂移速度 n按此速度，如果开关到灯泡之间用一米长的导线相按此速度，如果开关到灯泡之间用一米长的导线相连，电流从开关传到用电器需要连，电流从开关传到用电器需要1 1、2 2个小时。但实个小时。但实际上当开关一打开，灯立刻就亮了。如何解释？请思际上当开关一打开，灯立刻就亮了。如何解释？请思考考 你现在浏览的是第十九页，共19页