清华大学 大学物理课件电磁学.第章.稳恒电流.ppt

* * 第十六章 稳恒电流 温差电磁铁 温差电磁铁吸重物 §16.1 电流密度 §16.2 稳恒电流和稳恒电场 §16.3 欧姆定律 △§16.4 电动势 §16.6 稳恒电流和静电场的综合求解 △§16.7 电容器的充电与放电 *§16.8 电流的一种经典微观图像 第十六章 稳恒电流 △§16.5 稳恒电路 §16.1 电流密度 可逐点精细描述导电介质中电流分布情况。 方向：对正载流子，与之运动同向； 对负载流子，与之运动反向。 大小：单位时间通过单位垂直面积的电量 一. 电流密度矢量 在导电介质中，载流子如电子、空穴、离子 等的定向运动形成一个矢量场 — 电流场。 描述电流场的基本物理量是电流密度矢量。 1. 单一载流子 ：载流子定向运动速度 n ：载流子数密度 q ：载流子电荷（代数量） ? ：电荷密度，? = nq ? DS? 电阻法探矿 3. 金属 — 电子导电 设速度 的电子数密度为 ni ： 无外电场时，电子作热运动 有外电场时，电子作定向流动 是电子平均定向流动速度 — 飘移速度 一般 ：10 –2 ~ 10 -1mm/s 2. 多种载流子 二. 电流强度 电流线概念 S — 电流密度通量 ? 电流线上某点的切向为该点 的方向 电流线 P ? 电流线的数密度等于电流密度大小 电流强度就是穿过横截面电流线的数目。 由电流强度定义电流密度： 是指向电流方向的单位向量，与 垂直。 三. 电流连续性方程 对任一闭合曲面，电流密度的通量满足： I S q内 微分形式 电流连续性方程是电荷守恒定律的数学表述： 单位时间内“净”流出封闭曲面的电量，等于 封闭曲面内电量的减少，反映了电流分布和 电荷分布之间的普遍关系。 电流线起始、终止于电荷随时间变化之处： 有电流线发自面内， 面内积累负电荷，电荷密度减小。 有电流线止于面内， 面内积累正电荷，电荷密度增加。 电流线连续地穿过， 面内无电荷积累，电荷密度不变。 §16.2 稳恒电流和稳恒电场 ? 对稳恒电流 稳恒条件： 稳恒电流： 的分布不随时间变化的电流。 若不随时间变化，则电荷分布也不随时间 变化：一些电荷从某地流动走的同时，另外 一些等量的电荷必将流动过来进行补充。 电流线闭合 稳恒电场与静电场的相同之处： 稳恒电场：稳恒电流情况下，电荷分布不随 时间变化，则产生的电场不随时间变化。 ? 服从环路定理： ? 服从高斯定理： 任何电场都服从高斯定理。 电势和电势差概念仍然适用！ 习惯上仍把稳恒电场称为静电场。 稳恒电场与静电场的不同之处： ? 静电场 电荷静止，不激发磁场 静电平衡时导体内部场强为零， 维持静电场不需要能量的转换 ? 稳恒电场 电荷运动形成电流，激发磁场（静磁场） 伴随能量的转换 导体内部电场不为零， §16.3 欧姆定律 均匀导体的电阻： 电导： 单位： ?-1 = S （西门子） 电导率： 单位：?-1?m-1 ? — 电阻率 单位：? ? m 一. 积分形式 S U L a b I ?a ?b (U = ?a - ?b ) R 将积分形式用于大块导体中的一小段： — 欧姆定律的微分形式 二. 微分形式 dl ? ? +d? dU dI dS 2. 有许多材料不服从欧姆定律。 例如：低压电离气体，半导体材料等， 伏安特性曲线（U ~ I 关系）呈非线性。 三. 欧姆定律的适用范围 1. 比 适用范围广，对非均匀 导体成立，对非稳恒电流也成立。 3. 强电场会导致 与 的非线性关系。 4. 理想导体的 ? ? ?，但不能把超导体简单 地看成是理想导体。 R I 稳恒电流要求电路闭合，否则破坏稳恒条件： △§16.4 电动势 只有静电场无法维持稳恒电流， 必需依靠非静电力 才能使 载流子从有电势变化的电路中 回到原位，形成稳恒电流。 电磁、化学、热、原子... -q(t) q(t) I 一段不闭合电路 q 定义非静电性场强 仿照电势差的定义，定义电源电动势： 作用是反抗静电场而移动电荷。 是在电源内，把单位正电荷从“－”极 移到“＋”极，