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物 理
第4章 直流電路與安全用電
4.1 電阻定律
4.4 全電路歐姆定律
4.2 串聯(lián)電路和并聯(lián)電路
4.3 電功與電功率
4.5 安全用電
4.1 電阻定律
1．電流的形成
電荷的定向移動(dòng)形成電流．要形成電流，必須要有大量能夠自由移動(dòng)的電荷，即自由電荷．
當(dāng)導(dǎo)體兩端存在電壓時(shí)，將產(chǎn)生電場，導(dǎo)體中的自由電荷就在電場力的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，就形成了電流，如圖所示．
正、負(fù)電荷的移動(dòng)都可以形成電流．導(dǎo)體在形成電流時(shí)，正、負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向相反．習(xí)慣上規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较颍?br/>4.1.1 電流
2．電流強(qiáng)度
電流既有方向，也有強(qiáng)弱之分．電流的強(qiáng)弱用電流強(qiáng)度來表示．如圖所示，通過導(dǎo)體橫截面的電荷量 q 跟通過這些電荷量所用時(shí)間 t 的比值叫做電流強(qiáng)度，簡稱電流．用 I 表示電流，則有
在國際制單位中，電流的單位是安培，簡稱安，寫作A．電流常用的單位還有毫安（mA）和微安（μA）．
1．部分電路歐姆定律
導(dǎo)體中形成電流，實(shí)質(zhì)上就是大量自由電荷的定向移動(dòng)，自由電荷在導(dǎo)體中的移動(dòng)并非是直線運(yùn)動(dòng)，而經(jīng)常與導(dǎo)體內(nèi)部的離子、原子頻繁發(fā)生碰撞，從而受到阻礙，這種阻礙作用就被稱為電阻．電阻的單位是歐姆，簡稱歐，寫作 ．
德國物理學(xué)家歐姆通過大量的實(shí)驗(yàn)研究得出結(jié)論：導(dǎo)體中的電流 I 與導(dǎo)體兩端的電壓 U 成正比，與導(dǎo)體的電阻 R 成反比．這就是部分電路歐姆定律．
用公式表示，則為
4.1.2 部分電路歐姆定律
2．伏安特性曲線
用縱坐標(biāo)表示電流 I，橫坐標(biāo)表示電壓 U，畫出的 U-I 圖像叫做伏安特性曲線．對金屬導(dǎo)體來說，其電阻固定，它的伏安特性曲線就是通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，如圖所示．具有這種伏安特性的元件叫做線性元件．
1．電阻定律
通過實(shí)驗(yàn)我們可以得出結(jié)論，同種材料的導(dǎo)體，橫截面積 S 一定，電阻 R 與長度 L 成正比，即
同種材料的導(dǎo)體，長度 L 一定，電阻 R 與橫截面積 S 成反比，即
在一定溫度下，導(dǎo)體的電阻 R 跟它的長度 L 成正比，跟它的橫截面積 S 成反比．這就是電阻定律．用公式表示，則有
4.1.3 電阻定律
式中的比例常數(shù) 稱為材料的電阻率．對于不同的材料，其電阻率也不相同．電阻率的單位是 （歐米）．
【例題1】 有一條鎳鉻合金的電阻絲，橫截面積 ，長 ，在其兩端加上 的電壓時(shí)，通過它的電流 ，求這條電阻絲的電阻率．
解：根據(jù)部分電路歐姆定律，電阻絲的電阻為
根據(jù)電阻定律
得
分析：根據(jù)部分電路歐姆定律，可以求出這條電阻絲的電阻 R，而已知 R，S，l，就可以根據(jù)電阻定律求出電阻率 ．
2．超導(dǎo)體
1913年，卡茂林·昂尼斯在諾貝爾領(lǐng)獎(jiǎng)演說中指出：“水銀在4.2 K（ 268.8 ℃）進(jìn)入了一種新狀態(tài)，由于它的特殊導(dǎo)電性能，可以稱為超導(dǎo)態(tài)．
經(jīng)過大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)金屬當(dāng)溫度降低到絕對零度附近時(shí)，它們的電阻率會(huì)突然減小到零，這種現(xiàn)象被稱為超導(dǎo)現(xiàn)象．電阻為零的導(dǎo)體叫做超導(dǎo)體．導(dǎo)體由普通狀態(tài)向超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度．
4.2 串聯(lián)電路和并聯(lián)電路
1．串聯(lián)電路
把兩個(gè)或兩個(gè)以上的電阻依次連接起來，并把兩端接入電源，就組成了串聯(lián)電路，如圖所示．
4.2.1 串聯(lián)電路
2．串聯(lián)電路的特點(diǎn)
如果把串聯(lián)電路中的多個(gè)電阻用一個(gè)電阻 R 來代替，使得在相同的電壓下，通過電路的電流跟原來相同，那么這個(gè)電阻 R 就叫做串聯(lián)電路的總電阻或等效電阻．
根據(jù)歐姆定律 ，在保持電路 U，I 不變的情況下，則
在串聯(lián)電路中，電路各處的電流都相等，電路兩端的總電壓等于各部分電壓之和，即
根據(jù)串聯(lián)電路 可知，串聯(lián)電路的總電壓被分配在各個(gè)串聯(lián)電阻上．串聯(lián)電路的這種作用叫做分壓作用，串聯(lián)電路也叫做分壓電路．
由于串聯(lián)電路電流處處相等，即 ，而 ，可得
電壓表和電流表的指針轉(zhuǎn)到滿刻度時(shí)流過的最大電流 Ig 稱為滿偏電流，此時(shí)加在其兩端的電壓稱為滿偏電壓， ．
【例題2】　一個(gè)量程為3.0 V，內(nèi)阻為3.0 k 　的電壓表，要把它的量程擴(kuò)大到15 V，應(yīng)當(dāng)如何改裝？
分析：要想把量程擴(kuò)大，必須再串聯(lián)一個(gè)電阻分擔(dān)多出來的那部分電壓，改裝電路如圖所示．已知電壓表的量程和內(nèi)阻，可求出其滿偏電流，由于串聯(lián)電路電流處處相等，因此分壓電阻的電流也等于電壓表電流．已知電壓表量程和要擴(kuò)大的量程，可求出分壓電阻需承擔(dān)的部分電壓．根據(jù)歐姆定律即可求出分壓電阻阻值的大小．
解：要擴(kuò)大電壓表的量程，應(yīng)當(dāng)串聯(lián)一個(gè)阻值較大的電阻進(jìn)行分壓．根據(jù)串聯(lián)電路的分壓作用，分壓電阻承擔(dān)的電壓為
根據(jù)歐姆定律，電壓表的滿偏電流為
則分壓電阻的阻值為
1．并聯(lián)電路
把兩個(gè)或兩個(gè)以上的電阻兩端并列連接在電路中，就組成了并聯(lián)電路，如圖所示．
在并聯(lián)電路中，各支路兩端的電壓相等，電路中的總電流等于各支路電流之和．用公式可以表示為
4.2.2 并聯(lián)電路
2．并聯(lián)電路的特點(diǎn)
如果把并聯(lián)電路中的多個(gè)電阻也用一個(gè)電阻 R 來代替，使得在相同的電壓下，通過電路的電流跟原來相同．那么，這個(gè)電阻 R 就叫做并聯(lián)電路的總電阻或等效電阻．
根據(jù)并聯(lián)電路的特點(diǎn)，可推導(dǎo)出
根據(jù)并聯(lián)電路的特點(diǎn)
可得
【例題3】 將內(nèi)阻 ，滿偏電流 的電流表改裝成量程為1 A的電流表，需要并聯(lián)多大的分流電阻？
分析：擴(kuò)大電流表的量程，需要并聯(lián)一個(gè)分流電阻，改裝的電路圖如圖所示．已知電流表的內(nèi)阻 RA 和滿偏電流 IA，可以求出其兩端的電壓．由于并聯(lián)電路各支路兩端的電壓相等，因此可知分流電阻兩端的電壓．而分流電阻通過的電流即為擴(kuò)大量程后的電流與 IA 之差．根據(jù)歐姆定律，即可得出分流電阻的阻值．
解：分流電阻兩端的電壓
分流電阻需要分擔(dān)的電流
由歐姆定律，得
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