電學:電源、閉合電路的歐姆定律

一、電源

1.電源的作用

將正電荷經電源的內部從負極移到正極，維持電源兩極間的電壓。

2.電動勢的定義及理解

電池的出現促進電學的發展

①.定義

即電子運動的趨勢，能夠克服導體電阻對電流的阻力，使電荷在閉合的導體迴路中流動的一種作用。

②.理解

a.電動勢只是由電源本身的性質(材料結構、工作方式)決定，是表示電源特徵的量，與電路特徵無關。

b.電動勢表徵把電源的其他形式能轉化為電能的本領。

c.它的大小等於電源沒有接入電路時兩極間電壓，在閉合電路中E＝U外＋U內。

二、閉合電路的歐姆定律

實驗驗證歐姆定律電路圖

1.四種表達方式

研究閉合電路，主要物理量有E、r、R、I、U，前兩個是常量，後三個是變量。閉合電路歐姆定律的表達形式有：

E＝U外＋U內(適用於外電路為非純電阻的電路)。

I＝E/(R＋r)(I、R間關係)。

U＝E－Ir(U、I間關係)。

U＝[R/(R＋r)]E(U、R間關係)。

從U＝E－Ir看出：當外電路斷開時(I＝0)，路端電壓等於電動勢。而這時用電壓表去測量時，讀數卻應該略小於電動勢(有微弱電流)。當外電路短路時(R＝0，因而U＝0)，電流最大為Im＝E/r(一般不允許出現這種情況，會把電源燒壞)。

電腦電源

2.電源的功率及效率

①.功率：電源的功率(總功率)PE＝EI；

②.電源的輸出功率P出＝UI；

③.電源內部消耗的功率Pr＝I2r。

④.效率：η＝P/PE＝U/E＝R/(R＋r)(最後一個等號只適用於純電阻電路)。當R＝r時，電源有最大輸出功率時，效率僅為50%。

⑤.電源的輸出功率P＝ER/（R＋r）＝4Rr/（R＋r）·E/4r≤E/4r，可見電源輸出功率隨外電阻變化，而當內外電阻相等時，電源的輸出功率最大，為Pm＝E/4r。

3.變化的電路

閉合電路中只要有一隻電阻的阻值發生變化，就會影響整個電路，使總電路和每一部分的電流、電壓都發生變化。總結規律如下：

①.總電路上R增大時總電流I減小，路端電壓U增大；

②.變化電阻本身和總電路變化規律相同；

③.和變化電阻有串聯關係(通過變化電阻的電流也通過該電阻)的看電流(即總電流減小時，該電阻的電流、電壓都減小)；

④.和變化電阻有並聯關係(通過變化電阻的電流不通過該電阻)看電壓(即路端電壓增大時，該電阻的電流、電壓都增大)。

⑤.閉合電路的U—I圖像

假設a為電源的U－I圖像；b為外電阻的U－I圖像；兩者的交點坐標表示該電阻接入電路時電路的總電流和路端電壓；該點和原點之間的矩形的面積表示輸出功率；a的斜率的絕對值表示內阻大小；b的斜率的絕對值表示外電阻的大小；當兩個斜率相等時(即內、外電阻相等時)圖中矩形面積最大，即輸出功率最大(可以看出當時路端電壓是電動勢的一半，電流是最大電流的一半)

5.閉合電路的動態分析

①.程序法：閉合電路中，由於局部電阻變化(或開關的通斷)，引起各部分電壓、電流(或燈泡明暗)發生變化。分析此類問題的基本步驟是：A.由局部電阻變化判斷總電阻的變化；B.由I＝E/(R＋r)判斷總電流的變化；C.據U＝E－Ir判斷路端電壓的變化；D.由歐姆定律及串並聯電路特點判斷各部分電流、電壓的變化。

②.極限法：即因變阻器滑片滑動引起電路變化的問題，可將變阻器的滑片分別滑至兩個極端去討論。

③.特殊值法：對於某些電路問題，可以採取代入特殊值法判定，從而得出結論。

6.滑動變阻器的接法

滑動變阻器

在電路圖中，滑動變阻器有兩種接法要特別引起重視：

①.當滑動變阻器的滑動觸頭P從a端滑向b端的過程中，到達中點位置時外電阻最大，總電流最小。所以電流表A的示數先減小後增大；可以證明：A1的示數一直減小，而A2的示數一直增大。

②.設路端電壓U不變。當滑動變阻器的滑動觸頭P從a端滑向b端的過程中，總電阻逐漸減小；總電流I逐漸增大；Rx兩端的電壓逐漸增大，電流Ix也逐漸增大(這是實驗中常用的分壓電路的原理)；滑動變阻器r左半部的電流I先減小後增大。

7.斷路點的判斷

當由純電阻組成的串聯電路中僅有一處發生斷路故障時，用電壓表就可以方便地判定斷路點：凡兩端電壓為零的用電器或導線是無故障的；兩端電壓等於電源電壓的用電器或導線發生了斷路。