§4-5電源及電動(dòng)勢(shì)

1、§4-5 電源及電動(dòng)勢(shì)一、電源因?yàn)閮H有靜電場(chǎng)不能維持導(dǎo)體中的穩(wěn)恒電流。 要維持穩(wěn)恒電 流，必須有其它形式的作功，將其它形式的能量補(bǔ)充給電荷，使電荷 能夠逆著電場(chǎng)力的方向返回到電位能較高的原來(lái)位置， 從而維持電流 線(xiàn)的閉合性，保持導(dǎo)體兩端的電位差不變。1、 電源及其作用但凡能將其它形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?提供非靜電力的裝置 稱(chēng)為電源。電源的作用類(lèi)似于水泵 克服重力將水從低處打到高處從力的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，電源 的作用是 克服靜電力把正電荷從負(fù)極移動(dòng)到正極。 從能量觀(guān)點(diǎn)來(lái)看， 克服靜電 力作功所消耗的能量是電源供應(yīng)的， 所以電源是一種能量， 它把其它 形式的能量轉(zhuǎn)化為靜電能。 電源的種類(lèi)很多，在

2、不同的電源中，把不同形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?如干電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?、電源的工作原理電源都有兩個(gè)電極，電位高的叫正極，電位低的叫負(fù)極。非 靜電力由負(fù)極指向正極。 在外電路， 正電荷在靜電力作用下由正極移 動(dòng)到負(fù)極形成電流；在內(nèi)電路， 正電荷在非靜電力作用從負(fù)極移 動(dòng)到正極形成電流，使電荷沿閉合回路流動(dòng)，形成穩(wěn)定的電流。二、電動(dòng)勢(shì)不同的電源，把一定數(shù)量的正電荷從電源的負(fù)極移動(dòng)到正 極，非靜電力所作的功不同。 為定量描述電源內(nèi)部非靜電力作功的本 領(lǐng)，引入電動(dòng)勢(shì)這個(gè)物理量。1、電動(dòng)勢(shì)的定義電源電動(dòng)勢(shì)的定義是： 把單位正電荷從電源的負(fù)極移動(dòng)到正極時(shí)，非靜電力所作的功

3、。 如果用表示電動(dòng)勢(shì),表示非靜電力把正電荷所作的功，那么從電源的負(fù)極移動(dòng)到正極時(shí)因?yàn)樗赃@是電源電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 對(duì)于電池電源， 非靜電力集中在電源內(nèi)部，在外部電路中沒(méi)有非靜電力。而對(duì)于某些電源如溫差電源來(lái)說(shuō)，非靜電力分布在整個(gè)電路中，因此電動(dòng)勢(shì)更普遍的定義應(yīng)是即把單位正電荷繞導(dǎo)體閉合回路一周， 非靜電力所作的功。 電源內(nèi)部 也有電阻，叫做電源的內(nèi)阻，用 r 表示。2、電動(dòng)勢(shì)的方向電動(dòng)勢(shì)是標(biāo)量，但它和電流一樣有方向，可正可負(fù)。在電源內(nèi)部，通常把從負(fù)極低電位處指向正極高電位處的方向規(guī)定為電動(dòng)勢(shì)的正方向，即電動(dòng)勢(shì)的真實(shí)方向假設(shè)電源兩端電壓方向與電動(dòng)勢(shì)方向相反，那么方向與右電源兩端電壓電動(dòng)勢(shì)方向

4、相同，那么§4-6 閉合電路的歐姆定律在如下圖的閉合電路中，為外電路的負(fù)載電阻，源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻。當(dāng)電路中通有穩(wěn)恒電流分別為電時(shí)，在閉合電路任一截面的電量為所作的功為時(shí)間內(nèi)，通過(guò)此那么電源非靜電力這局部功轉(zhuǎn)化為電能。與此同時(shí)，內(nèi)、外電路放出的焦耳熱為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，得，根據(jù)閉合電路的歐姆定律上式稱(chēng)為閉合電路的歐姆定律。電源正、負(fù)極之間的電壓稱(chēng)為電源的路端電壓，因?yàn)?，所以這是電源放電情況。假設(shè)電源充電，電源的路端電壓從上述可知，放電時(shí)路端電壓小 于電動(dòng)勢(shì)； 充電時(shí)路端電壓大于電動(dòng)勢(shì)； 電動(dòng)勢(shì)與路端電壓之差對(duì)于 內(nèi)阻的電位差。二、應(yīng)用中的注意點(diǎn)1、對(duì)于一定的電源，電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻是一定的

5、，路端電壓隨電流的減小而增大。假設(shè)外電路開(kāi)路斷路，,那么開(kāi)路電壓;假設(shè)外電路短路，有,那么短路電流，那么2、假設(shè)電源內(nèi)阻，即電壓是恒定的，這樣的電源稱(chēng)為理想電源又稱(chēng)恒壓源。實(shí)際電源的內(nèi)阻,可等效為一個(gè)電動(dòng)勢(shì)為的理想電源和一個(gè)阻值為的電阻串聯(lián)組成。§4-7 一段含源電路的歐姆定律一、一段含源電路的歐姆定律 所謂一段含源電路是指這段電路中包含有電源。 找出這段電路兩端的電壓與電源電動(dòng)勢(shì)、 電阻和電流之間的關(guān)系， 就是一段含源 電路歐姆定律所要解決的問(wèn)題。根據(jù)歐姆定律的微分形式兩邊積分，得積分，得所以上式稱(chēng)為含源支路的歐姆定律。要注意電壓符號(hào)下標(biāo)的順序，如表示表示假設(shè)該段電路由多個(gè)電源和電

6、阻組成，那么兩點(diǎn)間的電壓可寫(xiě)成上式即為一段含源電路的歐姆定律。它說(shuō)明,兩點(diǎn)間電壓等于這兩點(diǎn)間電路 的各電源和各電阻含電源內(nèi)阻上所有電壓的代數(shù)和。二、應(yīng)用定律時(shí)的注意問(wèn)題1、先根據(jù)題意在電路圖中標(biāo)出電壓的方向。假設(shè)電動(dòng)勢(shì)方向與方向相同,為負(fù)；假設(shè)電動(dòng)勢(shì)方向與方向相反,為正。假設(shè)電流方向與方向相同,為正；假設(shè)電流方向與方向相反,為負(fù)2、在計(jì)算中，假設(shè)求得電流為正，表示電流的實(shí)際方向與假 定的正方向相同； 假設(shè)求得電流為負(fù)， 表示電流的實(shí)際方向與假定的正 方向相反。§4-8 基爾霍夫定律穩(wěn)恒電路一般是由電源和電阻元件組成。 運(yùn)用歐姆定律和電阻的串并 聯(lián)公式可以處理簡(jiǎn)單的電路問(wèn)題。 但實(shí)際中

7、遇到的電路往往比單純的 電阻串、 并聯(lián)和簡(jiǎn)單的閉合電路復(fù)雜得多。 對(duì)于由多個(gè)電源和多個(gè)電 阻組成的復(fù)雜電路，需要用基爾霍夫定律來(lái)分析和計(jì)算。一、電路的的幾個(gè)根本概念1、支路 - 電路中一段無(wú)分支、且電流相等的電路。2、節(jié)點(diǎn) - 電路中三條或三條以上支路的聯(lián)結(jié)點(diǎn)。3、回路 - 電路中的任意一個(gè)閉合路徑叫回路。4、網(wǎng)孔 - 電路中不含有支路的回路，即單孔回路叫網(wǎng)孔二、基爾霍夫定律1、第一定律 - 電流定律 KCL基爾霍夫第一定律理論根底是電荷守恒定律和電流的穩(wěn)恒 條件。如果在直流電路中的任一節(jié)點(diǎn)處取一閉合面， 在該節(jié)點(diǎn)處不可 能有積累電荷， 單位時(shí)間內(nèi)流進(jìn)的電量必等于流出的電量， 即流入節(jié) 點(diǎn)的電

8、流等于流出節(jié)點(diǎn)的電流。規(guī)定：流出節(jié)點(diǎn)的電流為正，流入節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)。對(duì)于任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)上式稱(chēng)為基爾霍夫第一定律，也叫電流定律KCL。它說(shuō)明，聚集 于任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和等于零。在實(shí)際運(yùn)用中，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流方程也可以用來(lái)表示。根據(jù) KCL ，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以列出一個(gè)電流方程，但不是所 有方程都是獨(dú)立的。如果電路共有 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么只能列出 n -1 個(gè) 獨(dú)立方程。2、第二定律 - 電壓定律 KVL基爾霍夫第二定律說(shuō)明的是電路中任一回路上的電動(dòng)勢(shì)和 電阻上的電壓電位差之間的關(guān)系。 從回路中任一點(diǎn)出發(fā)繞行一 周回到出發(fā)點(diǎn)，電位不變， 電位差為零。在閉合回路繞行一周的過(guò)程 中，電壓有升有降，規(guī)定

9、電壓降為正，電壓升為負(fù)，電路各段電壓升 降的代數(shù)和等于零。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為這就是基爾霍夫第二定律，也叫電壓定律KVL。將上式改寫(xiě)為這是基爾霍夫第二定律的通用表達(dá)式。 它說(shuō)明， 沿任意閉合回路繞行和。規(guī)定:假設(shè)一周，電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和等于各個(gè)電阻含電源內(nèi)阻上電壓降的代數(shù)方向與回路繞行方方向與回路繞向一致為正值，假設(shè) 行方向相反為負(fù)值。三、基爾霍夫定律的應(yīng)用例題 1 復(fù)雜電路如下圖，V，求：1各支路電流；2兩點(diǎn)間的電壓； 3兩電源輸出功率和電阻消耗的功率解： 1設(shè)各支路電流為，方向如下圖。由KCL得節(jié)點(diǎn) A 電流方程為設(shè)兩個(gè)網(wǎng)孔的繞行方向均為逆時(shí)針?lè)较?，由KVL得兩網(wǎng)孔電壓方程為代入電動(dòng)勢(shì)和電阻的數(shù)值，得解方程，得2)兩點(diǎn)間的電壓為3電源的輸出功率電源的輸出功率說(shuō)明電源而是從外部實(shí)際不是輸岀功率,輸入功率，電源處于充電狀態(tài)。電阻消耗的功率局部輸入電源從以上計(jì)算可知，電源輸出的功率，一局部在消耗電阻上,為之充電。電動(dòng)勢(shì)不相等的電源 并聯(lián)供電出現(xiàn)的這種情況，應(yīng)盡量防止。四、應(yīng)用基爾霍夫定律解題步驟1、假設(shè)各支路電流正方向及回路的繞行方向。2、應(yīng)用 KCL 列出節(jié)點(diǎn)的電流方程。對(duì)于有 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，只能 選取 n-1 個(gè)節(jié)點(diǎn)列方程。