《電學(xué)基礎(chǔ)》課件

電學(xué)基礎(chǔ)探索電學(xué)世界的奧秘從基本電荷到復(fù)雜電路課程概述課程目標(biāo)掌握電學(xué)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)內(nèi)容電荷、電場(chǎng)、電路等核心概念考核方式第一章：電荷與電場(chǎng)電荷的基本性質(zhì)正負(fù)電荷的相互作用庫(kù)侖定律電荷間力的計(jì)算方法電場(chǎng)概念電場(chǎng)強(qiáng)度與電場(chǎng)線電荷的性質(zhì)正電荷和負(fù)電荷同性相斥，異性相吸質(zhì)子帶正電，電子帶負(fù)電電荷守恒定律孤立系統(tǒng)中電荷總量不變電荷只能轉(zhuǎn)移不能創(chuàng)生或消滅電荷量的單位庫(kù)侖（C）是電荷的國(guó)際單位基本電荷e=1.6×10^-19庫(kù)侖庫(kù)侖定律公式：F=k|q1q2|/r2F為電荷間相互作用力q1、q2為兩個(gè)電荷量r為電荷間距離常數(shù)k的含義k=9×10^9N·m2/C2電介質(zhì)影響k值大小矢量性質(zhì)力的方向沿連線同號(hào)電荷相斥，異號(hào)相吸電場(chǎng)的概念電場(chǎng)強(qiáng)度的定義單位試驗(yàn)電荷所受力電場(chǎng)線表示電場(chǎng)方向與強(qiáng)度電場(chǎng)疊加原理合場(chǎng)強(qiáng)為各分場(chǎng)強(qiáng)矢量和電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度E=kq/r2電偶極子的電場(chǎng)強(qiáng)度E∝p/r3連續(xù)電荷分布的電場(chǎng)強(qiáng)度需積分計(jì)算高斯定理高斯面的概念任意閉合曲面高斯定理的數(shù)學(xué)表達(dá)式∮E·dS=Q/ε?應(yīng)用舉例球形、柱形、平面電荷分布靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體導(dǎo)體的靜電平衡條件內(nèi)部電場(chǎng)為零表面電場(chǎng)垂直于表面靜電屏蔽法拉第籠原理保護(hù)電子設(shè)備尖端放電現(xiàn)象電場(chǎng)在尖端處增強(qiáng)應(yīng)用于避雷針電勢(shì)能與電勢(shì)電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系E=-?V電勢(shì)的概念單位電荷的電勢(shì)能電勢(shì)能的定義電荷在電場(chǎng)中的位置能電容器C=Q/V電容的定義存儲(chǔ)電荷能力C=εS/d平行板電容器與板面積成正比1/C=1/C?+1/C?電容器的串并聯(lián)串聯(lián)總電容減小靜電場(chǎng)的能量帶電體系的靜電能電荷間相互作用的勢(shì)能電容器儲(chǔ)能W=?CV2=?QV靜電場(chǎng)的能量密度w=?εE2第二章：恒定電流電流的概念電荷定向移動(dòng)形成電流歐姆定律電流與電壓成正比焦耳定律電流產(chǎn)生熱量電流的定義電流強(qiáng)度單位時(shí)間通過橫截面的電量電流密度單位面積上的電流強(qiáng)度電流的方向正電荷移動(dòng)方向（約定）單位安培（A）歐姆定律點(diǎn)式歐姆定律j=σE電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比閉合電路歐姆定律I=E/(R+r)E為電動(dòng)勢(shì)，r為內(nèi)阻歐姆定律的適用范圍線性元件不適用于半導(dǎo)體、真空管等電阻電阻R=ρL/S，與材料電阻率成正比溫度升高，金屬電阻增大焦耳定律焦耳熱電流通過電阻產(chǎn)生熱量Q=I2Rt功率的計(jì)算P=UI=I2R=U2/R單位：瓦特(W)電熱應(yīng)用電熱器、電爐、電熨斗利用焦耳熱進(jìn)行加熱電源電動(dòng)勢(shì)的概念非靜電力做功的能力單位：伏特(V)理想電源與實(shí)際電源理想電源：內(nèi)阻為零實(shí)際電源：存在內(nèi)阻恒壓源和恒流源恒壓源：輸出電壓恒定恒流源：輸出電流恒定基爾霍夫定律基爾霍夫電流定律（KCL）節(jié)點(diǎn)電流代數(shù)和為零基爾霍夫電壓定律（KVL）回路電壓代數(shù)和為零應(yīng)用實(shí)例復(fù)雜電路分析的基礎(chǔ)電路分析方法支路電流法以支路電流為未知量回路電流法以回路電流為未知量節(jié)點(diǎn)電壓法以節(jié)點(diǎn)電壓為未知量電路定理疊加定理：線性電路中各源單獨(dú)作用戴維寧定理：復(fù)雜電路等效為電源和電阻諾頓定理：復(fù)雜電路等效為電流源并聯(lián)電阻第三章：磁場(chǎng)磁場(chǎng)的基本概念磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁力線畢奧-薩伐爾定律電流元產(chǎn)生的磁場(chǎng)安培環(huán)路定理閉合曲線上的磁場(chǎng)積分磁場(chǎng)的描述磁感應(yīng)強(qiáng)度B描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量單位：特斯拉(T)磁力線磁場(chǎng)中任一點(diǎn)切線方向?yàn)锽方向密度表示場(chǎng)強(qiáng)大小磁通量Φ=∫B·dS單位：韋伯(Wb)畢奧-薩伐爾定律公式表達(dá)dB=(μ?/4π)·(Idl×r)/r3電流元dl產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)用舉例：直線電流的磁場(chǎng)B=(μ?I)/(2πr)磁感應(yīng)強(qiáng)度與距離成反比圓環(huán)電流的磁場(chǎng)軸線上B=(μ?I)/(2R)中心點(diǎn)磁場(chǎng)最強(qiáng)安培環(huán)路定理∮B·dl=μ?I定理內(nèi)容閉合環(huán)路上B的線積分等于μ?IB=μ?I/(2πr)無限長(zhǎng)直導(dǎo)線的磁場(chǎng)選擇同心圓路徑B=μ?nI無限長(zhǎng)螺線管的磁場(chǎng)內(nèi)部均勻，外部為零磁場(chǎng)中的力安培力F=ILBsinθ電流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力洛倫茲力F=qvBsinθ帶電粒子在磁場(chǎng)中受力磁力矩τ=IS×B電流回路在磁場(chǎng)中受到轉(zhuǎn)矩磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)垂直入射：圓周運(yùn)動(dòng)斜入射：螺旋運(yùn)動(dòng)霍爾效應(yīng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生橫向電場(chǎng)用于測(cè)量磁場(chǎng)和電流質(zhì)譜儀原理利用帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)測(cè)定粒子的質(zhì)荷比磁介質(zhì)磁化強(qiáng)度M表示單位體積磁矩鐵磁性：強(qiáng)磁性；順磁性：弱磁性；抗磁性：微弱排斥磁場(chǎng)第四章：電磁感應(yīng)法拉第電磁感應(yīng)定律磁通變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)楞次定律感應(yīng)電流的方向自感和互感線圈中電流變化產(chǎn)生感應(yīng)法拉第電磁感應(yīng)定律感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生磁通量變化引起可通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)或變化電流實(shí)現(xiàn)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式ε=-dΦ/dt感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于磁通量變化率動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)動(dòng)生：導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)切割磁力線感生：磁場(chǎng)本身變化楞次定律定律內(nèi)容感應(yīng)電流方向使磁通量變化減小物理意義能量守恒的體現(xiàn)應(yīng)用舉例磁鐵進(jìn)出線圈時(shí)的現(xiàn)象自感自感系數(shù)的定義L=Φ/I單位：亨利(H)自感電動(dòng)勢(shì)ε=-LdI/dt阻礙電流變化自感線圈的能量W=?LI2儲(chǔ)存在磁場(chǎng)中互感變壓器原理基于互感現(xiàn)象互感電動(dòng)勢(shì)ε?=-MdI?/dt互感系數(shù)的定義M=Φ??/I?=Φ??/I?渦流渦流的產(chǎn)生導(dǎo)體在變化磁場(chǎng)中產(chǎn)生環(huán)形電流切割磁力線導(dǎo)致渦流的影響產(chǎn)生熱量產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的力渦流的應(yīng)用感應(yīng)加熱電磁制動(dòng)位移電流位移電流的概念變化電場(chǎng)產(chǎn)生的電流Id=ε?dE/dt麥克斯韋方程組統(tǒng)一描述電磁場(chǎng)包含位移電流后完備電磁波的產(chǎn)生變化電場(chǎng)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)變化磁場(chǎng)產(chǎn)生變化電場(chǎng)第五章：交流電交流電的基本概念周期性變化的電流交流電路的分析使用復(fù)數(shù)和相量功率因數(shù)表示能量轉(zhuǎn)換效率交流電的產(chǎn)生發(fā)電機(jī)原理磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)線圈正弦交流電i=Imsin(ωt+φ)相量表示法用旋轉(zhuǎn)矢量表示交流量交流電路元件電阻：電流電壓同相位，U=IR電感：電流滯后電壓90°，U=jωLI電容：電流超前電壓90°，U=I/(jωC)RLC串聯(lián)電路電壓關(guān)系U=UR+UL+UC矢量加法阻抗Z=R+j(XL-XC)|Z|=√(R2+(XL-XC)2)相位關(guān)系φ=arctan((XL-XC)/R)總電壓與電流的相位差RLC并聯(lián)電路電流關(guān)系I=IR+IL+IC導(dǎo)納Y=1/Z=G+jB2相位關(guān)系電流與電壓的相位差諧振XL=XC串聯(lián)諧振阻抗最小，電流最大ω?=1/√LC并聯(lián)諧振阻抗最大，電流最小Q=ω?L/R品質(zhì)因數(shù)Q值表示諧振尖銳程度交流電功率視在功率S=UI有功功率P=UIcosφ無功功率Q=UIsinφ功率因數(shù)功率因數(shù)的定義cosφ=P/S真實(shí)功率與表觀功率之比功率因數(shù)的物理意義電能利用效率理想值為1提高功率因數(shù)的方法并聯(lián)電容器減少感性負(fù)載三相交流電三相電源三個(gè)相位差120°的電源星形連接線電壓等于相電壓的√3倍三角形連接線電流等于相電流的√3倍第六章：電磁波電磁波的性質(zhì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直傳播電磁波譜按波長(zhǎng)和頻率分類電磁波的應(yīng)用通信、醫(yī)療、雷達(dá)等領(lǐng)域電磁波的產(chǎn)生振蕩電路LC電路產(chǎn)生電磁振蕩振蕩頻率f=1/(2π√LC)天線輻射導(dǎo)線中振蕩電流輻射電磁波基本通信原理加速帶電粒子的輻射同步輻射軔致輻射電磁波的傳播波動(dòng)方程?2E=(1/c2)?2E/?t2?2B=(1/c2)?2B/?t2能量傳輸電磁波攜帶能量能量密度u=?(εE2+B2/μ)波印廷矢量S=(1/μ?)E×B表示能量流密度電磁波譜電磁波的應(yīng)用通信：無線電廣播、移動(dòng)通信雷達(dá)：測(cè)距、導(dǎo)航、氣象監(jiān)測(cè)醫(yī)療診斷：X光、核磁共振、超聲波第七章：半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體的基本性質(zhì)導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間PN結(jié)P型與N型半導(dǎo)體的結(jié)合半導(dǎo)體器件二極管、晶體管等半導(dǎo)體的能帶理論能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶本征半導(dǎo)體純凈半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體N型和P型半導(dǎo)體PN結(jié)PN結(jié)的形成P型與N型半導(dǎo)體接觸形成勢(shì)壘電壓約0.3V(鍺)或0.7V(硅)正向和反向偏置正向?qū)?，反向截止二極管電壓電流二極管的工作原理基于PN結(jié)特性應(yīng)用：整流、檢波、穩(wěn)壓和開關(guān)晶體管晶體管的結(jié)構(gòu)三層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)：NPN或PNP三個(gè)電極：發(fā)射極、基極、集電極工作原理基極電流控制集電極電流三種工作狀態(tài)：截止、放大、飽和放大作用放大倍數(shù)β=IC/IB常用于小信號(hào)放大場(chǎng)效應(yīng)管JFET和MOSFET結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理電場(chǎng)控制溝道導(dǎo)電性特性和應(yīng)用輸入阻抗高，功耗低集成電路1集成電路的發(fā)展歷史1958年發(fā)明摩爾定律：集成度每18-24個(gè)月翻一番2制造工藝光刻、擴(kuò)散、外延等工藝納米級(jí)精度3應(yīng)用領(lǐng)域電子設(shè)備、通信設(shè)備計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子第八章：電子學(xué)基礎(chǔ)放大器信號(hào)