当前课程知识点:大学物理2 (电磁学、光学和量子物理) > WEEK4 > 电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律 > 电动势
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同学好
这一节我们讲电动势
我们知道 电流实际是导体中
自由电荷受到稳恒电场作用
定向移动形成的
对于稳恒电流
电路必须是闭合的
如果我们选择闭合电路l 作为环路
由于稳恒电场满足环路定理
所以绕着这个闭合回路的稳恒电场
要满足环路积分为零
这个积分式子乘以载流子电荷
仍然是零
我们可以把它理解为
这个载流子绕电路一周过程
稳恒电场力做功为零
也就是 稳恒电场力
对闭合电路做功为零
而电流一般是有热效应的
所以要维持这个稳恒电流
必须有另外的能量
输入到这个电路中
稳恒电场力
也就是静电场力对闭合电路不做功
所以必须通过非静电力做功
为闭合电路提供能量
假设有一个闭合电路
维持稳恒电流的非静电力
其实是由电源提供的
在电源外
稳恒电场驱动这些正电荷
从正极向负极移动形成电流
但在电源内
稳恒电场力也是从正极指向负极
为了让电源内正电荷
从负极向正极移动
这样才形成稳恒电流
必须有非静电力克服这个稳恒电场力
这个非静电力就是电源提供的
为了讨论方便
我们可以引入非静电场的概念
就是单位电荷受到的非静电力
电动势就是把单位正电荷
经电源内部由负极移向正极过程中
非静电力所作的功
可以用积分表示出来
由于只在电源处有非静电力
也可以把积分表示成
整个回路的积分
反正电源以外积分为零
开路情况
因为没有电流
电源内非静电力和静电场力平衡
所以非静电场和静电场平衡
从这里边我们可以很容易得到积分等式
左边的式子是电源电动势
右边的是电源开路电压
它们相同
也就是说 电源电动势
等于电源的开路电压
我们知道有各种各样的电源
都可以提供非静电力
有电磁的 化学的 热的
光的等不同形式的电源
下面我们简单介绍两种电源
第一种是化学电池 也是最早的电池
是意大利物理学家伏特最先发明的
比如在一个西红柿上
插上两片不一样的金属
比如铜和锌
这就构成最简单的电池
不过这样效率不高
改进以后的电池叫丹聂耳电池
下面简单介绍这种电池
我们看到 在容器中
左边装有硫酸铜溶液
右边装有硫酸锌溶液
中间用多孔的瓷板隔开
这个瓷板只能通过离子
溶液不混合
左边放入铜板 右边放入锌板
由于化学作用
溶液中的铜离子沉积到铜板上
铜板就带上了正电
与硫酸铜溶液之间形成电偶极层
铜板电势高于溶液
阻止铜离子进一步沉积到铜板
锌板情况相反
锌板中的锌离子移入溶液
锌板带上负电
与硫酸锌溶液之间形成电偶极层
溶液电势高于锌板
阻止锌离子进一步移入溶液
结果是形成了
铜板电势高于溶液
溶液电势高于锌板
那么铜板与锌板之间就产生了电势差
这其实就是它们之间的电动势
用导线连接铜板和锌板
就会有电流产生
维持电流的话
这个过程会不断进行
溶液中铜离子浓度不断下降
而锌离子浓度不断上升
最终化学力不足以让铜离子
继续沉积到铜板
而锌离子也不能继续移入到溶液
电池也就不能继续工作了
这个时候需要重新充电
就是 在外面加上电压
把上述过程逆转进行
使得溶液中铜离子浓度增加
锌离子浓度降低
直到溶液恢复到可以工作的状态
我们要介绍的第二种电池是
温差电源
把两种不同的金属
比如铁和铜连接成回路
加热其中一个接头
这个时候回路中会形成温差电动势
也叫席贝克效应
下面我们可以看 两个演示实验
这是关于温差电效应的一个演示实验
我们先看一看这个结构
这里边
看到这下面这个
这是普通的铜
这块是康铜
那么它形成了一个回路
我现在把这个回路
两端 这两端是铁片
用不同的温度
这个时候 由于温差电电动势
使得这个回路里边
就有电流产生
我们来看一看
这里边是冰水混合物
这样的话低温就会更低
高温端
我用火来给它加热
这是一个酒精灯
加热以后 因为这个
刚才说了 因为这个温度差异
以及这两个回路里边有两种不同的导体
所以回路里边就会产生
温差电动势趋动的这么一个
温差电流
那么这回路有电流了
自然就有磁场
这个磁场就会吸引铁块对不对
我们看一看 这里边是不是有电流
就看它能不能吸引铁块
没有的时候
电流还没有大的时候
当然这吸引力几乎是没有的 对不对
可是当温度差别大到一定程度的时候
这个电动势就足够大了
里边的电流也足够大
这个时候 它就有可能
它产生的磁场就有可能吸引住这个铁
现在我们看到这个铁块已经被吸引了
就不容易掉下来了
那么它能吸引多重呢
我现在 在这下边
这是砝码对不对
我一个一个加上这些砝码
那么你看这个砝码
这很重的这铁块 对不对
加到这么重的程度的时候
这个温差电流产生磁场
仍可以吸引住这个铁块
你看
所以这个电流 看来是相当强的
这是一个温差电动势的实验
这是什么装置呢
这个线头是由两个不同的
金属丝拧在一起的
然后这两个金属丝
分别连到这个电压表的两端
如果我现在把这个接头
用这个酒精灯给它加热的话
由于温差电动势
你会看到
这个电压表指针有明显的偏转
温差电动势的成因有两个
一是 汤姆孙电动势
它是同种金属中
由于温度差形成自由电子的热扩散
导致温度低端的电子浓度更高
相对温度高端就产生了电势差
二是珀尔帖电动势
它是由于不同金属之间
电子浓度不同引起的
接头处产生与温度有关的扩散
引起电势差
温差电效应除了可以用来做温差电源
它的逆效应 还可以用来做温度计
叫热电偶
我们把两种金属导线一端接在一起
作为探头
两个导线另一端都放在恒温热库
并分别与电位差计相连
探头处不同的温度情况
对应不同的电位差计读数
热电偶当然事先已经定标过
什么电势差对应什么温度
有标准数据
以后把探头放在待测处
读取电位差计数
与标准数据比较
就立刻得知测量的温度了
一般导体100度温差的时候会产生
1毫伏电压变化
铋和锑信号变化大一些
它一般大十倍
热电偶有很多优点
首先是灵敏
因为热容小
所以对温度变化很敏感
其次是 相比其它温度计测温范围大
比如酒精温度计一般只能测量
零下几十度到零上几十度左右
因为温度变化再大的话
酒精会凝固或蒸发
热电偶的另一个优点是
可以逐点测量
最后 测量的温度因为对应电势差信号
便于用计算机控制
利用温差电效应可以制作
扫描热显微镜
把钨和镍探针非常细的尖处相接
这就形成了热电偶
钨和镍探针尖直径只有30nm左右
所以可以探查
数十纳米尺度的细微温度变化
现在我们通电流加热探针
然后让探针在很靠近样品表面的地方
慢慢地平行移动
它是水平移动
移动过程
有的地方样品有凸出
探针与样品距离变小
探针散热增加
针尖温度下降
反过来针尖温度就会升高
温度变化转化成电势差变化信号
当探针在试样表面扫描的时候
它的温度变化就代表试样表面的
起伏状况
也就把样品表面的概貌探测出来了
这就是扫描热显微镜
好 这节内容就讲到这儿
谢谢
-电荷和库仑定律
--引言
--电荷
--库仑定律
-WEEK1--电荷和库仑定律
-电场及叠加原理,电偶极子
--电场和电场强度
-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子
-高斯定律
--电通量
--立体角*
--高斯定律的证明*
--高斯定律和电场线
--高斯定律的应用
-WEEK1--高斯定律
-WEEK1--本周作业
-静电场环路定理、电势和叠加原理
--环路定理
--电势和叠加原理
--电势梯度
--等势面
-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理
-静电能
--电荷系静电能
-WEEK2--静电能
-导体静电平衡
--物质中电场
--导体静电平衡
-WEEK2--导体静电平衡
-WEEK2--本周作业
-导体周围电场
-WEEK3--导体周围电场
-静电屏蔽
--导体壳与静电屏蔽
-WEEK3--静电屏蔽
-电容及电容器
--电容及电容器
-WEEK3--电容及电容器
-电介质
--介质对电场的影响
-WEEK3--电介质
-极化强度矢量,极化电荷
--极化强度
--极化电荷
-WEEK3--极化强度矢量,极化电荷
-WEEK3--本周作业
-极化规律、电位移矢量
--电介质的极化规律
-WEEK4--极化规律、电位移矢量
-有介质时静电场能量
-WEEK4--有介质时静电场能量
-电流密度、稳恒电流和稳恒电场
--电流密度
-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场
-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
--电动势
--欧姆定律
--欧姆定律(续)
-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
-电流微观图像和暂态过程
--电流微观图像
-WEEK4--电流微观图像和暂态过程
-本周作业
--week4--本周作业
-洛仑兹力、磁感应强度
--电流磁效应
--磁场和磁感应强度
-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度
-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
--毕-萨-拉定律
--磁场高斯定律
-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
-静磁场环路定理
-WEEK5--静磁场环路定理
-安培力和霍尔效应
--霍尔效应
--安培力
-WEEK5--安培力和霍尔效应
-WEEK5--本周作业
-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-磁介质对磁场的影响和原子磁矩
--磁场中的磁介质
--原子的磁矩
-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩
-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
--磁介质的磁化
--磁化电流
-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
-WEEK6--本周作业
-铁磁介质和简单磁路
--磁场的界面关系
--铁磁性材料
-WEEK7--铁磁介质和简单磁路
-法拉第电磁感应定律
-WEEK7--法拉第电磁感应定律
-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
--动生电动势
--涡电流
-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
-自感和互感
--自感
--互感
-WEEK7--自感和互感
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--磁场的能量
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--麦克斯韦方程组
-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组
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--电磁波
--坡印廷矢量
--电磁波的动量
--光压——辐射压强
-本周作业
--week8--本周作业
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--波动光学——引言
-WEEK9--波动光学—引言
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--双缝干涉
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--迈克耳逊干涉仪
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