第四章 稳恒电流和稳恒电场
重点
自由电荷宏观定向运动——电流
稳恒电流: 不随时间变化的电流
稳恒电场: 对应稳恒电流的电场
本章主要讨论导体中的电流
§1电流场. 稳恒电流
1. 电流密度矢量j
1. 电流场
自由电荷流动—电流场
形成电流的运动电荷—载流子
电流场的矢量—电流密度矢量j
2. j 的宏观定义
j 方向: 正电荷定向运动方向 j=d I
d S ⊥
电流线(j 线): 电流场的场线.
3. j 的微观定义
若电荷都以v 运动 j =nqv=ρv
4. j 的微观定义与宏观定义的联系
(1) 同一种载流子
j =∑ j i =ρ=ρv
(2) 多种载流子
j i = ni q i i
j =∑ j i =∑ ni q i i
2. j的通量—电流强度I
d S 上的通量
dI=j ⋅d S =dq/dt
曲面S 上的通量
I=⎰S j ⋅d S =dq/dt
I 为单位时间通过S 面的电量
3. 电流场连续性方程——电荷守恒定律的数学表达
∮j ⋅d S = -d q d t
——电流连续性方程(通量定理)
电流场有源; j 线发自正电荷减少处, 终于正电荷增加处 微分关系:
∇⋅j = -∂ρ ∂t
4. 稳恒电流和稳恒条件
稳恒电流场: ∂j =0 j =j (r ) ∂t
稳恒条件: ∮j ⋅d S =0 ∇⋅j =0
则 ∂ρ=0 ρ=ρ(r ) ∂t
推论:
(1)稳恒电流场j 线闭合.
(2) 稳恒电流场内同一电流管内各截面上的j 通量I 相同
5. 电源和电动势—稳恒电流的实现
实现稳恒电流必须有非静电力F k ∝ q
电源—产生非静电力的装置
非静电力场强 E K =F K /q
E 总=E +E K 电源电源电动势
ε= ⎰+E K ⋅d l (沿j 积分) - E K ⋅d l = j
ε标量; ε 常数与电流无关;
对电荷q, 电源做功
W k =⎰-F K ⋅d l =⎰-q E K ⋅d l =qε ++§2 稳恒电流场与稳恒电场
1. 欧姆定律——电流与电场的关系
1. 不含源电路欧姆定律(实验定律)
I=G(Ua -U b )=(Ua -U b )/R
j=σe E
满足欧姆定律的元件——线性元件
R=⎰ ρd l /S⊥=⎰ dl /σe S ⊥
纯金属 ρ(t)=ρ0(1+αt) α ≈ 0.004
金属 半导体 绝缘体
ρ(Ω⋅m) 10-6—10-8 10-5—10 6 10 8—10 18
2. 含源电路欧姆定律
j=σe (E + EK )
(1)电源端电压
∆U=U+-U - =ε-Ir
沿ε方向通过电源则电位升的大小为ε, 同时有电位降Ir
(2) 全电路欧姆定律
∮(E+EK ) ⋅d l =ε=(∮j ⋅d l )/σ e =I (R+r)
ε=I(R+r) I = ε/(R+r)
2. 金属导电的经典微观解释
1. 欧姆定律微分形式
电子平均自由程λ, 平均碰撞间隔时间τ, 热运动平均速率u (~105m/s) . λ= uτ
金属中电场E .
f v f =a τ ≡v =v f /2=a τ/2
nq 2τj =nqv =E =σe E 2m
——欧姆定律微分形式
定性正确、定量不对
2. 焦耳定律微分形式
热功率密度
p=nw/τ =j ⋅E =σe E 2
——焦耳定律微分形式
P=⎰ pdV=I2 (R+r)
3. 稳恒电场和电流场
导体内电场很小
1. 基本性质(方程) (q=q总)
∮E ⋅d S =q/ε0 ∮E ⋅d l =0
∮σe E ⋅d S =0 ∮D ⋅d S =q0
j =σe E
∂ρ/∂t=0 ∂E /∂t=0
2. 边界条件
E t1=Et2 j n1=jn2
3. 导体内外电场 导线内: E 内=j /σe
导线表面
E 内n =0
E 外n =σ/ε0
E 外t =j/σe
特点:
E 内// j //导线; E 外不垂直于表面; 导体外表面≠等位面; 导体非等位体;
4. 导体上的电荷分布
均匀导体内
ρ=0 (ρ0=0 , ρ’=0)
不同导体的交界面有面电荷σ、σ’、σ0
电源两极上有电荷, 形成E 电源内
导线表面有分布电荷
5. 稳恒电场的作用
保持稳恒电流
内电路(电源) 与E K 抗衡达到稳定
外电路 克服阻力流动
提供能量转化的条件
4. 稳恒电路中能量转换
电流的功与功率:
外电路 P=IV W=Pt=IVt
电源 P ε=Iε W ε=Iε t
I ε =IV+ I2r
稳恒电场参与能量转换
§3 基尔霍夫方程组
计算复杂的具有分支的电路
一个支路: 该电路中每个元件串联
一个节点: 三个或更多支路交汇处
1. 基尔霍夫第一定律
流入同一节点的电流的代数和为零 I 2
3 ∑ Ii = 0
2. 基尔霍夫第二定律
1 电位关系与基尔霍夫第二定律
电源: 沿ε方向电位升ε; 逆ε方向电位降ε
电阻: 沿电流电位降IR ; 逆电流电位升IR
例: 求B →A 电位升 ∆U=UA -U B =ε1+ε2-ε3+I1(r1+R1) -I 2
基尔霍夫第二定律:
±∑ε i ±∑IiRj =0
“±”规则: 按回路方向, 电位升取“+”、电位降取“-”
2. 推广的欧姆定律与基尔霍夫第二定律
j /σe =E +E K 两边∮d l ⇒ 基尔霍夫第二定律:
±∑ε i =±∑ Ii R j
“±”规则: 回路方向 与ε ( I )相同取“+”; 回路方向 与ε( I )相反取“-”
3 基尔霍夫方程组
1 方程组的完备性
未知数的个数=独立方程的个数 ——完备
2 列方程
假设: 回路的方向和I i 的正方向
例: 惠斯登电桥(P=6 n=4 m=3)
设: 电流正方向和回路方向如图
第一定律:
A 点 -I+ I1+I2=0 B 点 -I 1+Ig +I3=0 C 点 -I 3-I 4+I =0
第二定律: 1 I 1R 1+Ig R g -I 2R 2=0
2 I 3R 3 -I 4R 4-I g R g =0 3 I 2R 2+I4R 4=ε
I g =ε(R2R 3-R 1R 4) /
[R 1R 3(R2+R4)+R2R 4(R1+R3)+Rg (R1+R3)(R2+R4) ]
R 2 / R1 = R4 / R3 则 I g =0 —电桥平衡
由R 1,R 2,R 3 → R4=Rx
简便方法: 设独立回路电流为未知数, 只须列出m 个方程 附: 温差电现象介绍
——与热运动有关的产生电动势、稳恒电流的两种机制 热运动引起的电子气的扩散.
单位时间内
1∆N 1→2=n 1u 1∆S n 2 6
∆N 2→1=n 2u 2∆S
1 帕尔帖电动势——接触电位差 επ 金属A 、B 接触, n不同.
设n A >nB 16B
则 ∆N A →B >∆N B →A 温度T B 带负电A 带正电
—无内阻电源 επ=∏BA (T) ~10-2—10-4 V
2 汤姆逊电动势——温差电位差
同一金属上温度不同, u不同,
2εT =⎰T 1 σ(T) dT T T 22 1T 1
σ(T)——汤姆逊系数
3 温差电现象
塞贝克效应
逆帕尔帖效应
第四章 稳恒电流和稳恒电场
重点
自由电荷宏观定向运动——电流
稳恒电流: 不随时间变化的电流
稳恒电场: 对应稳恒电流的电场
本章主要讨论导体中的电流
§1电流场. 稳恒电流
1. 电流密度矢量j
1. 电流场
自由电荷流动—电流场
形成电流的运动电荷—载流子
电流场的矢量—电流密度矢量j
2. j 的宏观定义
j 方向: 正电荷定向运动方向 j=d I
d S ⊥
电流线(j 线): 电流场的场线.
3. j 的微观定义
若电荷都以v 运动 j =nqv=ρv
4. j 的微观定义与宏观定义的联系
(1) 同一种载流子
j =∑ j i =ρ=ρv
(2) 多种载流子
j i = ni q i i
j =∑ j i =∑ ni q i i
2. j的通量—电流强度I
d S 上的通量
dI=j ⋅d S =dq/dt
曲面S 上的通量
I=⎰S j ⋅d S =dq/dt
I 为单位时间通过S 面的电量
3. 电流场连续性方程——电荷守恒定律的数学表达
∮j ⋅d S = -d q d t
——电流连续性方程(通量定理)
电流场有源; j 线发自正电荷减少处, 终于正电荷增加处 微分关系:
∇⋅j = -∂ρ ∂t
4. 稳恒电流和稳恒条件
稳恒电流场: ∂j =0 j =j (r ) ∂t
稳恒条件: ∮j ⋅d S =0 ∇⋅j =0
则 ∂ρ=0 ρ=ρ(r ) ∂t
推论:
(1)稳恒电流场j 线闭合.
(2) 稳恒电流场内同一电流管内各截面上的j 通量I 相同
5. 电源和电动势—稳恒电流的实现
实现稳恒电流必须有非静电力F k ∝ q
电源—产生非静电力的装置
非静电力场强 E K =F K /q
E 总=E +E K 电源电源电动势
ε= ⎰+E K ⋅d l (沿j 积分) - E K ⋅d l = j
ε标量; ε 常数与电流无关;
对电荷q, 电源做功
W k =⎰-F K ⋅d l =⎰-q E K ⋅d l =qε ++§2 稳恒电流场与稳恒电场
1. 欧姆定律——电流与电场的关系
1. 不含源电路欧姆定律(实验定律)
I=G(Ua -U b )=(Ua -U b )/R
j=σe E
满足欧姆定律的元件——线性元件
R=⎰ ρd l /S⊥=⎰ dl /σe S ⊥
纯金属 ρ(t)=ρ0(1+αt) α ≈ 0.004
金属 半导体 绝缘体
ρ(Ω⋅m) 10-6—10-8 10-5—10 6 10 8—10 18
2. 含源电路欧姆定律
j=σe (E + EK )
(1)电源端电压
∆U=U+-U - =ε-Ir
沿ε方向通过电源则电位升的大小为ε, 同时有电位降Ir
(2) 全电路欧姆定律
∮(E+EK ) ⋅d l =ε=(∮j ⋅d l )/σ e =I (R+r)
ε=I(R+r) I = ε/(R+r)
2. 金属导电的经典微观解释
1. 欧姆定律微分形式
电子平均自由程λ, 平均碰撞间隔时间τ, 热运动平均速率u (~105m/s) . λ= uτ
金属中电场E .
f v f =a τ ≡v =v f /2=a τ/2
nq 2τj =nqv =E =σe E 2m
——欧姆定律微分形式
定性正确、定量不对
2. 焦耳定律微分形式
热功率密度
p=nw/τ =j ⋅E =σe E 2
——焦耳定律微分形式
P=⎰ pdV=I2 (R+r)
3. 稳恒电场和电流场
导体内电场很小
1. 基本性质(方程) (q=q总)
∮E ⋅d S =q/ε0 ∮E ⋅d l =0
∮σe E ⋅d S =0 ∮D ⋅d S =q0
j =σe E
∂ρ/∂t=0 ∂E /∂t=0
2. 边界条件
E t1=Et2 j n1=jn2
3. 导体内外电场 导线内: E 内=j /σe
导线表面
E 内n =0
E 外n =σ/ε0
E 外t =j/σe
特点:
E 内// j //导线; E 外不垂直于表面; 导体外表面≠等位面; 导体非等位体;
4. 导体上的电荷分布
均匀导体内
ρ=0 (ρ0=0 , ρ’=0)
不同导体的交界面有面电荷σ、σ’、σ0
电源两极上有电荷, 形成E 电源内
导线表面有分布电荷
5. 稳恒电场的作用
保持稳恒电流
内电路(电源) 与E K 抗衡达到稳定
外电路 克服阻力流动
提供能量转化的条件
4. 稳恒电路中能量转换
电流的功与功率:
外电路 P=IV W=Pt=IVt
电源 P ε=Iε W ε=Iε t
I ε =IV+ I2r
稳恒电场参与能量转换
§3 基尔霍夫方程组
计算复杂的具有分支的电路
一个支路: 该电路中每个元件串联
一个节点: 三个或更多支路交汇处
1. 基尔霍夫第一定律
流入同一节点的电流的代数和为零 I 2
3 ∑ Ii = 0
2. 基尔霍夫第二定律
1 电位关系与基尔霍夫第二定律
电源: 沿ε方向电位升ε; 逆ε方向电位降ε
电阻: 沿电流电位降IR ; 逆电流电位升IR
例: 求B →A 电位升 ∆U=UA -U B =ε1+ε2-ε3+I1(r1+R1) -I 2
基尔霍夫第二定律:
±∑ε i ±∑IiRj =0
“±”规则: 按回路方向, 电位升取“+”、电位降取“-”
2. 推广的欧姆定律与基尔霍夫第二定律
j /σe =E +E K 两边∮d l ⇒ 基尔霍夫第二定律:
±∑ε i =±∑ Ii R j
“±”规则: 回路方向 与ε ( I )相同取“+”; 回路方向 与ε( I )相反取“-”
3 基尔霍夫方程组
1 方程组的完备性
未知数的个数=独立方程的个数 ——完备
2 列方程
假设: 回路的方向和I i 的正方向
例: 惠斯登电桥(P=6 n=4 m=3)
设: 电流正方向和回路方向如图
第一定律:
A 点 -I+ I1+I2=0 B 点 -I 1+Ig +I3=0 C 点 -I 3-I 4+I =0
第二定律: 1 I 1R 1+Ig R g -I 2R 2=0
2 I 3R 3 -I 4R 4-I g R g =0 3 I 2R 2+I4R 4=ε
I g =ε(R2R 3-R 1R 4) /
[R 1R 3(R2+R4)+R2R 4(R1+R3)+Rg (R1+R3)(R2+R4) ]
R 2 / R1 = R4 / R3 则 I g =0 —电桥平衡
由R 1,R 2,R 3 → R4=Rx
简便方法: 设独立回路电流为未知数, 只须列出m 个方程 附: 温差电现象介绍
——与热运动有关的产生电动势、稳恒电流的两种机制 热运动引起的电子气的扩散.
单位时间内
1∆N 1→2=n 1u 1∆S n 2 6
∆N 2→1=n 2u 2∆S
1 帕尔帖电动势——接触电位差 επ 金属A 、B 接触, n不同.
设n A >nB 16B
则 ∆N A →B >∆N B →A 温度T B 带负电A 带正电
—无内阻电源 επ=∏BA (T) ~10-2—10-4 V
2 汤姆逊电动势——温差电位差
同一金属上温度不同, u不同,
2εT =⎰T 1 σ(T) dT T T 22 1T 1
σ(T)——汤姆逊系数
3 温差电现象
塞贝克效应
逆帕尔帖效应