【物理】闭合电路的欧姆定律
属于高中物理必修三的内容。要不是会考有实验操作考试我怎么会现在补这个
一、电动势
定义:在电源内部,非静电力把正电荷从负极移动到正极所做的功,与被移动的电荷的电荷量的比值叫做电源的电动势。
公式: \(E = \frac{W}{q}\) (单位:伏特 \(V\) )
物理意义:
- 反映电源把其他形式的能转化为电能的本领大小
- 在数值上等于非静电力把 \(1\ \mathrm{C}\) 的正电荷在电源内部从负极移送到正极所做的功
二、闭合电路的欧姆定律
1. 闭合电路组成
用导线把电源、用电器连成的闭合电路,可以分为外电路和内电路。
外电路:电源以外的电路叫作外电路。
在外电路中,电流由高电势处流向低电势处,沿电流方向电势降低。
内电路:电源内部叫作内电路。
在内电路中,非静电力做功使正电荷由负极移到正极,故电流由电源负极流向电源正极。
因为电源有内阻 \(r\) ,所以沿电流方向电势也降低。
2. 闭合电路的能量转化
外电路:正电荷在恒定电场作用下由正极移向负极。
内电路:非静电力做功,提供全电路消耗的电能。
纯电阻电路有 \[ W = Q_{\texttt{外}} + Q_{\texttt{内}} = I^2Rt + T^2rt \]
3. 闭合电路的欧姆定律
闭合电路的电流与电源的电动势成正比,与内外电路的电阻之和成反比。
表达式: \[ I = \frac{E}{R+r} = \frac{U+Ir}{R + r} \]
三、路端电压与负载的关系
1. 路端电压与负载
- 路端电压 \(U\) :又叫外电压,它是外电路上总的电势降落。
- 负载 \(R\) :电路中消耗电能的元件称为负载。
2. 路端电压 \(U\) 与负载 \(R\) 的关系
\[ U = E - U_{\texttt{内}} = E - Ir \]
当外电阻 \(R\) 增大时,由 \(I=\frac{E}{R+r}\) 可知
电流 \(I\) 减小( \(E\) 和 \(r\) 为定值 ),内电压 \(I r\) 减小,根据 \(U=E-I r\) 可知路端电压 \(U\) 增大。
当外电阻 \(R\) 减小时,由 \(I=\frac{E}{R+r}\) 可知
电流 \(I\) 增大,内电压 \(I r\) 增大,根据 \(U=E-I r\) 可知路端电压 \(U\) 减小。
对一定电源,电流、路端电压、内电压随外电路电阻的改变而改変的情况可用下表形象地表示。 \[ \begin{array}{|c|c|c|c|c|} % ----- 标题 ----- \hline\texttt{外电阻变化情况} & R \uparrow & R \to +\infty & R \downarrow & R = 0 % ------内容------ \\[6pt]\hline \texttt{电流}\, I = \frac{E}{R + r} & I \downarrow & I \to 0 & I \uparrow & I = \frac{E}{r} \\[6pt]\hline \texttt{内电压}\,U_0 = Ir = E - IR & U_0 \downarrow & U_0 \to 0 & U_0 \uparrow & U_0 = E \\[6pt]\hline \texttt{路端电压}\,U = IR = E - Ir & U \uparrow & U \to E & U \downarrow & U = 0 \\[6pt]\hline \end{array} \]
3. 路端电压与电流的关系图像
由 \(U = E - Ir\) 可知, \(U-I\) 的图像是一条斜向下的直线,如图
图像的截距:
- 当电流 \(I = 0\) 时,即外电路开路时,路端电压等于电源电动势 \(E\) (纵轴截距)
- 当路端电压 \(U = 0\) 时,即外电路短路时,短路电流 \(I_{\texttt{短}} = \frac{E}{r}\) (横轴截距)
直线的斜率:
由 \(I_{\texttt{短}} = \frac{E}{r}\) 得 \(r = \frac{E}{I_{\texttt{短}}}\) ,所以直线斜率的绝对值等于电源内阻,即图中 \(r = \left|\frac{\Delta U}{\Delta I}\right|\) 。
因此直线斜率的绝对值越大,内阻 \(r\) 越大。
图像的面积:图中绿色部分的面积即为电路的电功率(根据 \(P = UI\) 易得)