11、電動勢

(1)電源：電源是一種能夠不斷地把其他形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。

(2)電動勢：電源的電動勢等于電源沒有接入電路時兩極間的電壓。

10、電功率和熱功率

(1)電流做功的實(shí)質(zhì)

①電場力對電荷做功的過程，實(shí)際上是電能轉(zhuǎn)變成其他形式能量的過程。

②在真空中，電荷減少的電勢能轉(zhuǎn)化成動能。

③在純電阻元件中電能完全轉(zhuǎn)化成內(nèi)能

(2)焦耳定律：Q＝I²Rt

上式表明，導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量Q與導(dǎo)體兩端的電壓、導(dǎo)體中通過的電流I和通電時間t成正比。

(3)熱功率

①定義：單位時間內(nèi)發(fā)熱的功率叫做熱功率。

②公式：P_熱＝＝I²R

③電功與電熱的關(guān)系

①電功率與熱功率的區(qū)別

電功率是指輸入某段電路的全部功率或在這段電路上消耗的全部電功率，等于這段電路兩端電壓U和通過的電流I的乘積。電功率P＝UI，對任何電路都適用。

熱功率是在某段電路上因發(fā)熱而消耗的功率，等于通過這段電路中電流的平方I²和電阻R的乘積。電熱功率P_熱＝I²R，對任何電路也都適用。

②電功率與熱功率的聯(lián)系

a．在純電阻電路中，電功率與熱功率數(shù)值相等。

U＝IR

W＝Q＝UIt＝I²Rt＝t

P_熱＝P_電＝UI＝I²R＝

b．在非純電阻電路中，電功率數(shù)值大于熱功率數(shù)值。

若電路中有電動機(jī)或電解槽時等元件時，電路為非純電阻電路。

電路中消耗的電功率絕大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或化學(xué)能等其它形式的能，只有一少部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時電功率大于熱功率。

U＞IR

W＞Q　　　　　　 W＝UIt　　　　　 Q＝I²Rt

P_電＞P_熱　　　　 P_電＝UI　　　　 P_熱＝I²R

P_電＝P_熱+P_出

例題：如圖所示，有一提升重物用的直流電動機(jī)，內(nèi)阻r＝0.6Ω，R＝10Ω，U＝160 V，電壓表的讀數(shù)為110 V，求

①通過電動機(jī)的電流是多少？

②輸入到電動機(jī)的電功率是多少？

③在電動機(jī)中發(fā)熱的功率是多少？

④電動機(jī)工作1 h所產(chǎn)生的熱量是多少？

解析：①設(shè)電動機(jī)兩端的電壓為U₁，電阻R兩端的電壓為U₂，則U₁＝110 V，U₂＝U－U₁＝(160－110)V＝50 V。

通過電動機(jī)的電流為I，則I＝＝5 A。

②輸入到電功機(jī)的電功率P_電＝U₁I＝110×5 W＝550 W。

③在電動機(jī)中發(fā)熱的功率P_熱＝I²r＝5²×0.6 W＝15 W。

④電動機(jī)工作1 h所產(chǎn)生的熱量Q＝I²rt＝5²×0.6×3600 J＝54000 J。

說明：電動機(jī)是非線性元件，歐姆定律對電動機(jī)不適用了，所以計算通過電動機(jī)的電流時，不能用電動機(jī)兩端的電壓除以電動機(jī)的內(nèi)阻。

通過計算發(fā)現(xiàn)，電動機(jī)消耗的電功率遠(yuǎn)大于電動機(jī)的熱功率。

例題：燈L與電動機(jī)D并聯(lián)，燈L上標(biāo)有200W字樣，電動機(jī)D上標(biāo)有2000W字樣，當(dāng)電源兩端A、B加上220V電壓時，燈和電動機(jī)均正常工作，求：電燈正常工作時的電阻。

解析：因為電燈是純電阻用電器，所以電燈正常工作時的功率可表示為 P＝UI＝I²R＝，燈正常工作時P＝200W，根據(jù) P＝I²R知，只要求出燈正常工作時的電流，即可求出電燈正常工作時的電阻。對電路所有用電器，利用 P＝UI可求得電路中的電流強(qiáng)度。

整個電路用電器正常工作的總功率為：P＝P_L+P_D＝2200W，由于電壓 U＝220V。

根據(jù)P＝UI得，電路中的電流I＝＝10A。

對燈L由 P＝I²R得燈正常工作時的電阻

R＝＝2Ω，即燈正常工作時的電阻為 2Ω。

9、電功和電功率

(1)電功

①定義：在一段電路中電場力對定向移動的自由電荷所做的功，簡稱電功，通常也說成是電流所做的功。

②公式：W＝UIt

電流在一段電路上所做的功等于這段電路兩端的電壓U、電路中的電流I和通電時間t三者的乘積。

③單位：在國際單位制中，電功的單位是焦耳，簡稱焦，符號是J。

電功的常用單位有：千瓦時，俗稱“度”，符號是kW·h。1 kW·h的物理意義是表示功率為1 kW的用電器正常工作1 h所消耗的電能。

1 kW·h＝1000 W×3600 s＝3.6×10⁶ J

(2)電功率

①定義：單位時間內(nèi)電流所做的功叫做電功率。用P表示電功率。

②公式：P＝＝UI

③物理意義：功率是表示電流做功快慢的物理量。

④單位：瓦特(W)。 千瓦(kW)。

1W＝1J/s。

⑤平均功率和瞬時功率

利用P＝計算出的功率是時間t內(nèi)的平均功率。

利用P＝UI計算時，若U是某一時刻的電壓，I是這一時刻的電流，則P＝UI就是該時刻的瞬時功率。

⑥額定功率與實(shí)際功率

a．額定功率：用電器正常工作時的功率。

b．實(shí)際功率：用電器實(shí)際工作時的功率。

c．額定功率與實(shí)際功率的關(guān)系：對一個用電器來說，額定功率只有一個。實(shí)際功率可隨著用電器兩端的電壓和通過的電流的變化而改變。所以實(shí)際功率可等于、小于或大于額定功率。

總結(jié)：選擇用電器時，要注意它的額定電壓，只有在額定電壓下用電器才能正常工作。實(shí)際電壓偏低，用電器消耗的功率低，不能正常工作。實(shí)際電壓偏高，長期使用會影響用電器的壽命，還可能燒壞用電器。

8、超導(dǎo)體的特性

①零電阻性：超導(dǎo)體達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)以后，其電阻為零，這是超導(dǎo)體的零電阻特性。

②完全抗磁性：超導(dǎo)材料能把磁感線排斥體外，使其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是零。

7、高溫超導(dǎo)

(1)金屬超導(dǎo)體與氧化物超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度

①金屬超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度很低：金屬及合金的臨界溫度很低。

②氧化物超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度較高：氧化物超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度比金屬超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度高，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到125K左右。

(2)高溫超導(dǎo)體：為了與原來液氦溫度下的超導(dǎo)相區(qū)別，人們把氧化物超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)體。

6、超導(dǎo)現(xiàn)象

(1)超導(dǎo)現(xiàn)象：某些物質(zhì)當(dāng)溫度降到一定程度時，電阻突然降為零的現(xiàn)象，稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。

(2)超導(dǎo)體：能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)，稱為超導(dǎo)體。

(3)轉(zhuǎn)變溫度：導(dǎo)體由普通狀態(tài)向超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，或臨界溫度。用T_C表示。

5、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

(1)半導(dǎo)體的熱敏特性：半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度升高而減小，稱為半導(dǎo)體的熱敏特性。

(2)半導(dǎo)體的光敏特性：半導(dǎo)體材料的電阻隨光照而減小，稱為半導(dǎo)體的光敏特性。

(3)半導(dǎo)體的摻雜特性：在純凈的半導(dǎo)體材料中摻入微量的雜質(zhì)，會使它的電阻急劇變化，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能大大增強(qiáng)，稱為半導(dǎo)體的摻雜特性。

例題：家用電熱滅蚊器中電熱部分的主要部件是PTC元件，PTC元件是由酞酸鋇等半導(dǎo)體材料制成的電阻器，其電阻率與溫度的關(guān)系如圖4所示，由于這種特性，PTC元件具有發(fā)熱、控溫兩重功能，對此以下說法中正確的是(　　　 )

A．通電后其功率先增大后減小

B．通電后其功率先減小后增大

C．當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在t₁至t₂的某一值不變

D．當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時，溫度保持在t₁或t₂不變

解析：根據(jù)PTC元件的電阻率隨溫度變化的曲線，可知在常溫下，它的電阻是相當(dāng)小的，通入電流以后，隨著溫度的升高，其電阻率先變小后增大，那么它的功率先變大，后變小，溫度保持在在t₁至t₂的某一值不變，這時候電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，如果溫度再升高，電阻率變大，導(dǎo)致電流變小，溫度就會降下來；如果溫度降低，電阻率減小，導(dǎo)致電流變大，溫度就會升上去，所以本題正確答案為：A、C。

例題：一般的電熨斗用合金絲作發(fā)熱元件，合金絲電阻R隨溫度t變化的關(guān)系如圖5所示的實(shí)線①，由于環(huán)境溫度、熨燙衣服的厚度、干濕等情況不同，熨斗的散熱功率不同，因而熨斗的溫度可能會在較大的范圍內(nèi)波動，易損壞衣服。

有一種用主要成份為BaTiO₃的稱為“PTC”的特殊材料作發(fā)熱元件的電熨斗，具有升溫快，能自動控制溫度的特點(diǎn)，PTC材料的電阻隨溫度變化的關(guān)系如圖中實(shí)線②所示。

(1)為什么原處于冷態(tài)的“PTC”熨斗剛通電時，比普通電熨斗升溫快？

(2)通電一段時間后，電熨斗溫度穩(wěn)定在什么范圍內(nèi)？

(3)簡析PTC發(fā)熱元件的自動控溫過程。

解析：解答此題的關(guān)鍵是要看懂圖中涉及的物理量的含義：圖線①說明合金的電阻基本上不隨溫度的變化而變化；圖線②說明在較低的溫度下，“PTC”材料的電阻基本不變，但在某一溫度范圍內(nèi)電阻會突變。

(1) 由圖可知，冷態(tài)的“PTC”材料的電熨斗電阻比一般電熨斗電阻小，所以發(fā)熱功率P＝U²/R較一般電熨斗大，所以在相同的時間內(nèi)“PTC”升溫快。

(2)由圖可知，溫度自動穩(wěn)定在t₆＜t＜t₈范圍內(nèi)。

(3 )當(dāng)熨斗溫度升高到t₆后，“PTC”材料的電阻急劇增大，電功率變小，此時如果散熱功率大于電功率，熨斗溫度會下降，當(dāng)溫度降低時，電阻R急劇減小，電功率增大，溫度又升高……，因而熨斗的溫度能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

例題：如圖所示，為在溫度為10℃左右的環(huán)境中工作的某自動恒溫箱原理簡圖。箱內(nèi)的電阻R₁＝20kΩ，R_,2＝10kΩ，R₃＝40kΩ，R_t為熱敏電阻，它的電阻隨溫度的變化的圖線如圖7(b)所示，當(dāng)a、b兩端電壓U_ab＜0時，電壓鑒別器會令開關(guān)K接通，恒溫箱內(nèi)的電熱絲發(fā)熱，使箱內(nèi)溫度提高，當(dāng)U_ab＞0時，電壓鑒別器會K斷開，停止加熱，恒溫箱內(nèi)的溫度恒定在多少攝氏度。

解析：在U_ab＜0時，K接通，箱內(nèi)的溫度提高，導(dǎo)致R_t減小。當(dāng)R_t＝20kΩ時達(dá)到電橋平衡，此時U_ab＝0，而U_ab＝0是K斷開、閉合的分界點(diǎn)，故此溫度可由圖7(b)中讀出，R_t＝20kΩ時對應(yīng)的溫度t＝35℃。

4、半導(dǎo)體

(1)半導(dǎo)體

導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而且電阻不隨溫度的增加而增加，反隨溫度的增加而減小，這種材料稱為半導(dǎo)體。

(2)從電阻率的觀點(diǎn)認(rèn)識導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體

金屬導(dǎo)體的電阻率約為10^－8-10^－6Ω·m

絕緣體的電阻率約為10⁸-10¹⁸Ω·m

半導(dǎo)體的電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，約為10^－5-10⁶Ω·m

4、電流的微觀表達(dá)式

(1)三種速率

①熱運(yùn)動的平均速率：金屬導(dǎo)體中的大量自由電子在不停地做無規(guī)則熱運(yùn)動，熱運(yùn)動的平均速率很大，但從其宏觀效果上看，沒有電荷的定向移動，因而熱運(yùn)動的平均速率對形成電流沒有貢獻(xiàn)。

②定向移動的平均速率：導(dǎo)體中自由電荷定向移動的平均速率是很小的，但就是這一定向移動的速率使電荷定向移動形成了電流。

③電場傳播速率：電場的傳播速率等于真空中的光速，電路一接通，導(dǎo)體中民光速的速率在各處建立電場，導(dǎo)體中各處的自由電荷幾乎同時開始做定向移動，整個電路幾乎同時形成電流。

(2)電流的微觀表達(dá)式

如圖所示，AD表示粗細(xì)均勻的一段導(dǎo)體，兩端加以一定的電壓。

設(shè)導(dǎo)體中的自由電荷沿導(dǎo)體定向移動的速率為v，導(dǎo)體的橫截面積為S，導(dǎo)體中每單位體積的自由數(shù)為n，每個自由電荷所帶的電荷量為q。

①導(dǎo)體中單位時間內(nèi)能夠通過截面C的自由電荷分布

導(dǎo)體中單位時間內(nèi)能夠通過截面C的自由電荷分布在以截面C為底，速率v為長的導(dǎo)體中。

②單位時間內(nèi)能夠通過截面C的自由電荷數(shù)

N＝nV＝nvS

③單位時間內(nèi)能夠通過截面C的電荷量

Q＝Nq＝nqvS

④電流的微觀表達(dá)式

I＝＝nqvS

3、導(dǎo)體的伏安特性

(1)　　 導(dǎo)體的伏安特性曲線

①導(dǎo)體的伏安特性曲線

用縱軸表示電流I，用橫軸表示電壓U，畫出的I-U圖線叫做導(dǎo)體的伏安特性曲線。

如下圖所示，是金屬導(dǎo)體的伏安特性曲線。

②圖線斜率的物理意義

在I-U圖中，圖線的斜率表示導(dǎo)體電阻的倒數(shù)。

即k＝tanθ＝＝

圖線的斜率越大，電阻越小。右圖中R₁＜R₂。

③線性元件和非線性元件

a．線性元件：伏安特性曲線是過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，這樣的元件叫線性元件。

b．非線性元件：伏安特性曲線不是直線，這樣的元件叫非線性元件。

注意：歐姆定律不適用的導(dǎo)體和器件，電流和電壓不成正比，伏安特性曲線不是直線，都是非線性元件。