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第4章
直流电及其应用
本章导读电路是由电源、导线、开关和用电器等组合起来，能使电流流通的整体。简单地说，电路就是电流的路径。电路的主要作用：实现电能的传输、分配和转换；实现信号的传递和处理。直流电的电流方向、大小不随时间改变，交流电的电流方向、大小随时间周期性变化。本章主要介绍直流电相关的一些定律。学习目标
了解电流的形成与电流强度的定义。
掌握部分电路欧姆定律和电阻定律。
了解电源电动势的含义。
掌握全电路欧姆定律。
目录 Contents
4.1 电阻定律
4.2 全电路欧姆定律
4.1 电阻定律
4.1 电阻定律
4.1.1 电 流
1．电流的形成
我们以前学过，电荷的定向移动形成电流。要形成电流，必须要有大量能够自由移动的电荷，即自由电荷。那么，自由电荷怎样形成定向移动呢？
当导体两端存在电压时，将在导体内部产生电场，导体中的自由电荷就在电场力的作用下发生定向移动，形成了电流，如下图所示。
4.1 电阻定律
正、负电荷的定向移动都可以形成电流。习惯上规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。在形成电流时，正、负电荷定向移动的方向相反。
例如，在金属导体中，电流的方向与自由电子定向移动的方向相反；在电解质溶液中，电流的方向与正离子定向移动的方向相同，与负离子定向移动的方向相反。
4.1 电阻定律
电流既有方向，也有大小。电流的大小用电流强度来表示。如右图所示，通过导体某一横截面的电荷量q与通过这些电荷量所用时间t的比值叫作电流强度，简称电流。用I表示电流，则有
2．电流强度
电流的单位是安培，简称安，写作A。电流常用的单位还有毫安（mA）和微安（μA）。
4.1 电阻定律
4.1.2 部分电路欧姆定律
1．部分电路欧姆定律
自由电荷在导体中的定向移动并非是无阻碍的直线运动，而是经常与导体内部的离子、原子发生碰撞，从而受到阻碍，这种阻碍作用叫作电阻，其单位是欧姆，简称欧，写作 。
电阻的导体中的电流I与导体两端的电压U成正比，与导体的电阻R成反比。这就是部分电路欧姆定律，简称欧姆定律，可用公式表示为
欧姆定律仅适用于金属导体和电解质溶液，但不适用于气态导体和某些半导体。
4.1 电阻定律
2．伏安特性曲线
用纵坐标表示电流I，横坐标表示电压U，画出的U-I图像叫作伏安特性曲线。对金属导体来说，其电阻通常是个定值，它的伏安特性曲线是通过坐标原点的倾斜直线，如右图所示。具有这种伏安特性曲线的元件叫作线性元件。
4.1 电阻定律
4.1.3 电阻定律
1．电阻定律
电阻是导体本身的一种性质，那么导体的电阻与哪些因素有关呢？通过实验发现，导体的电阻与其材料、横截面积和长度等因素有关。这些因素与电阻之间的关系可通过控制变量的实验方法进行研究。
4.1 电阻定律
演示实验4-1 探究电阻与材料、横截面积及长度的关系
准备a、b、c、d共4段不同的金属导体，如下图（a）所示。a与b的材料、横截面积都相同，长度不同；b与c的材料、长度都相同，横截面积不同；c与d的长度、横截面积都相同，材料不同。
按照如下图（b）所示的电路图连接电路，在点A和点B之间依次接入a、b、c、d这4段金属导体。调节滑动变阻器，保持导体两端的电压相等并读出电压表数值，同时测出相应的电流，通过欧姆定律求出这 4 段导体的电阻，进而判断电阻与不同因素间的关系。
4.1 电阻定律
4.1 电阻定律
通过实验可以得出结论，对于同种材料的导体，横截面积S一定时，电阻R与长度L成正比，即
同种材料的导体，长度L一定时，电阻R与横截面积S成反比，即
对于相同横截面积、相同长度，而材料不同的导体，其电阻R也不相同。
4.1 电阻定律
实验表明，在一定温度下，导体的电阻R与其长度L成正比，与其横截面积S成反比，这就是电阻定律，可用公式表示为
式中的比例常数 称为材料的电阻率。电阻率的单位是欧米（ ）。
不同材料的电阻率是不同的，表4-2给出了不同材料20℃时的电阻率。
4.1 电阻定律
4.1 电阻定律
由表4-2可以看出，金属及金属合金的电阻率都很小，而电木和橡胶的电阻率都很大。在实际生产中，我们可以根据需要选择合适的导电材料。例如，在用电线路中，就要选择金属材料制作导线；而为了安全考虑，就要使用橡胶、电木等材料作为电器的绝缘部分。
纯金属的电阻率随着温度的升高而增大，利用纯金属的这种特性可以制作电阻温度计；有些合金，如锰铜合金、镍铜合金，它们的电阻率几乎不受温度影响，可以用来制作标准电阻；而绝缘体和半导体的电阻率随着温度的升高而减小，可以用来制作特殊器件。
4.1 电阻定律
将某灯泡的灯丝与小灯泡串联接入电路，使小灯泡发光。用酒精灯给灯丝加热，观察小灯泡的明暗变化，想想这是为什么？
4.1 电阻定律
有一类特殊的电阻元件，它们的电阻值不是常数，而是与工作环境（如光照强度、温度、电压等）有关。常见的这类电阻元件有光敏电阻、热敏电阻和压敏电阻。
4.1 电阻定律
2．超导体
经过大量科学实验发现，当温度降低到绝对零度附近时，大多数金属的电阻会突然减小到0，这种现象被称为超导现象。电阻为0的导体叫作超导体。导体由普通状态向超导态转变时的温度称为超导转变温度或超导临界温度。
为了使超导材料具有实用性，人们开始了探索高温超导的历程。从 1911 年至1986年，超导转变温度由汞的4.2 K提高到23.22 K；1986年1月，人们发现钡镧铜氧化物的超导转变温度是30 K；1989年，我国已研制成超导转变温度为132.2 K的超导材料。
4.1 电阻定律
后来人们还做过这样一个实验（见右图）：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把锡盘温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，永久磁体离开了锡盘表面，慢慢地飘起，悬浮不动。这种效应后来被应用在磁悬浮列车的生产中。
如今，超导技术已经在电机、输电、磁流体发电、交通运输和医疗等方面得到了广泛地开发和应用，同时，它还在电子技术、空间技术等方面展现出广阔的应用前景。
4.1 电阻定律
课后实践
请同学们在课后完成以下任意一项任务。
第一项任务：收集并观察电路中常用的电阻器，了解常见电阻器的形状、材料、外观颜色、标志及其在电路中的作用，并与同学分享交流。
第二项任务：查阅资料，收集我国在超导材料研究领域所取得的伟大成就，并与同学分享调查结果。

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