南昌二中高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

更新时间：2024-06-12 12:38:01 阅读量：综合文库文档下载

说明：文章内容仅供预览，部分内容可能不全。下载后的文档，内容与下面显示的完全一致。下载之前请确认下面内容是否您想要的，是否完整无缺。

高中物理竞赛电学公式推荐度：
相关推荐

物理课件网（http://www.wulikj.com）欢迎您！

第二讲稳恒电流

§2、1 电流

2．1 ．1．电流、电流强度、电流密度

导体处于静电平衡时，导体内部场强处处为零。如果导体内部场强不为零，带电粒子在电场力作用下发生定向移动，形成了电流。形成电流条件是：存在自由电荷和导体两端有电势差（即导体中存在电场）。自由电荷在不同种类导体内部是不同的，金属导体中自由电荷是电子；酸、碱、盐在水溶液中是正离子和负离子；在导电气体中是正离子、负离子和电子。

电流强度是描述电流强弱的物理量，单位时间通过导体横截面的电量叫做电流强度。用定义式表示为

I?q/t

电流强度是标量。但电流具有方向性，规定正电荷定向移动方向为电流方向。在金属导体中电流强度的表达式是

I?nevS

n是金属导体中自由电子密度，e是电子电量，v是电子定向移动平均速度，S是导体的横截面积。

在垂直于电流方向上，单位面积内电流强度叫做电流密度，表示为

j?I/S

金属导体中，电流密度为

电流密度j是矢量，其方向与电流方向一致。 2．1 ．2、电阻定律导体的电阻为

j?nev

R??L/S?L?S

1????????，由式中?、?称为导体电阻率、电导率?

实验表明，多数材料的电阻率都随温度的升高而增大，在温度变化范围不大时，纯金属的电阻率与温度之间近似地有如下线性关系

???0?1??t?

?1?0为0℃时电子率，?为t时电阻率，?为电阻率的温度系数，多数纯金属?值接近于

4?10?3℃，而对半导体和绝缘体电阻率随温度的升高而减小。某些导体材料在温度接近

某一临界温度时，其电阻率突减为零，这种现象叫超导现象。

超导材料除了具有零电阻特性外，还具有完全抗磁性，即超导体进入超导状态时，体内磁通量被排除在体外，可以用这样一个实验来形象地说明：在一

NS物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！图2-2-1

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永磁铁，整个装置放入低温容器里，然后把温度降低到锡出现超导电性的温度。这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，飘然升起与锡盘保持一定距离后，悬在空中不动了，如图2-2-1所示。这是由于超导体的完全抗磁性，使小磁铁的磁感线无法穿透超导体，磁场畸变产生一个向上的很大的排斥力，把磁铁托在空中，这就是磁悬浮的道理，这一特性启示了人们用超导材料制造磁悬浮列车。

超导现象是1911年荷兰物理学家昂尼斯首先发现的。他发现在4.2K（?268.8℃），汞的电阻突然消失，并把这种“零”电阻特性称为“超导电性”。接着他又发现在7.3K附近，铅也具有“超导性”。

1933年，迈斯纳发现了超导的“完全抗磁性”，他证明处于磁场中的超导体可以把磁感线完全排斥在体外，从而使自身可以悬浮在磁体之上。这个现象称为“迈斯纳效应”。至今人们仍把“零电阻特性”和“完全抗磁性”作为判定材料达到“超导状态”的两个必要条件。

例1、为了使一圆柱形导体棒电阻不随温度变化，可将两根截面积相同的碳棒和铁棒串联

?1?5?4??3.5?10??m???5?10起来，已知碳的电阻率为0碳，电阻率温度系数碳℃，而

?8??5?10℃?1求这两棒的长度之比是多少？

铁?0铁?8.9?10??m，铁?3解：各种材料的长度和截面积都会随温度变化而变化，但它们电阻率的变化比线度的变化要明显得多（一般相差两个数量级），因此可以忽略线度的变化。

将???0?1??t?代入R??L/S，得

R?R0?1??t?

式中R0为材料0℃时电阻

将碳棒和铁棒串联，总电阻为

R?R碳?R铁?R0碳?R0铁?R0碳?碳t?R0铁?铁t

要R不随温度变化，必须有由R?R0碳?碳t?R0铁?铁t?0 L铁 ?39.3:1

2. 1 ．3、电流密度和电场强度的关系

?碳?碳3.5?10?5???5?10?4????L碳?铁?铁8.9?10?8?5?10?3

?L/S，可知截面积相同的两棒长度之比为

通电导体中取一小段长?L，其两端电压?U，则有：

?U?I???LI??L?S?S

?U/?L?E,得到 j??E

物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！

I?jS

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

上式给出了电流密度与推动电荷流动的电场之间的对应关系，更细致地描述了导体的导电规律，被称为欧姆定律的微分形式。

①对于金属中的电流，上式中的?还可有更深入的表示。

当金属内部有电场时，所有自由电子都将在原有的热运动的基础上附加一个逆场强的定向运动，就是所有电子的这种定向运动形成宏观电流。

由于与晶体点阵的碰撞，自由电子定向速度的增加受到限制。电子与晶体点阵碰撞后散射的速度沿各个方向几率相等，这样电子定向运动特征完全丧失，其定向速度为0。这样电子在电场力的作用下从零开始作匀加速运动，设两次碰撞之间的平均时间为?，平均路程为?，

?V则电子定向运动平均速度。

???V0?V?1?e??e?V???0?E????E?22?m2m?

??而

?u，u是电子热运动的平均速率。所以

???下面我们看电流密度矢量j与电子定向运动平均速度V的关系。在金属内部，在与j垂

直方向取一面积为?S的面元，以?S为底，V为高作一个柱体。设单位体积内自由电子数为n，则单位时间内柱体内的所有为由电子nV?S能穿过?S面而形成电流，?S面上任一点的电流密度：

?e??V??E2mu

?代入V，我们得到 ?ne2??j?E2mu

相比，金属的电导率?为

??j??enV

en?SVj??enV?S ???j的方向以正电荷运动方向为准，电子带负电，j的方向与V的方向相反

ne2?对于一定的金属导体，在一定温度下，2mune2???2mu??是一定的，与欧姆定律的微分形式j??E

物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

②对于导电液体，?同样有更细微的表达式。

能够导电的液体称为电解液。电解液中能自由移动的带电粒子是正、负离子。在没有外电场时，正负离子作无规则的热运动。在有外场作用时，液体中正负离子定向移动形成宏观电流，正、负离子的平均定向速度（以称迁移速度）V?和V?与所加的电场成正比。若单位体积内有n对正负离子，每个离子带电量q，考虑到负电荷的运动等效于等量的正电荷反方向的运动，则所研究面元的电流密度大小为

j?nqV??nqV?

00VV定义单位场强下的迁移速度为迁移率，分别用?和?表示

VVV?0??V?0??E E

00?j?nqV?V???E??E 则

??nq?V?0?V?0?

00n、q、V、V??均为恒量，液体导电仍满足欧姆定对于一定浓度的某一种电解液，

律。

§2、2电路

2．2 ．1、电路连接与电表改装（1）串、并联电路的性质

串联电路通过各电阻电流相同，总电压为各电阻两端电压之和，电压的分配与电阻成正比，功率的分配也与电阻成正比，即

I1?I2???IU?U1?U2???Un?I?R1?R2??Rn?Pn?I2Ra串联电路总电阻

R?R1?R2??Rn

并联电路各电阻两端电压相同，总电流为通过各支路电流之后，电流的分配与电阻成反比，功率的分配亦与电阻成反比，即 IRgRU1?U2??U

gG UUUI?I1?I2???In?????R1R2RnUgUUR

UVV 物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！ U图2-2-1

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

U2Pn?Rn

总电阻：

1111????RR1R2Rn（2）电表改装

①欲将满偏电流为g，内阻为g的电流表改装为量程为U的电压表，需将分压电阻R和电流表串联，如图2-2-1所示，所谓量程为U时，就是当电压表两端的电压为U时，通过电流表的电流为

IRIg，电流表分担的电压为Ug。根据串联电路的规律有

U?UgURUR??Rg??Rgn?IgRg UgUg

U?IgRgR??Rg??n?1?RgIgRg即

电压表内阻

URV?R?Rg??Rg?nRgIgRg

通常，RV都很大，理想情况下可认为RV??。

②欲将内阻为g，满偏电流为g的电流表改装为量程为I的电流表时，需将分流电阻R和电流表并联，如图2-2-2所示。同理可推得

RIIn?R??RgIg IR

Ig1??Rg?RgI?Ign?1

Ig通常，R很小(R??Rg)，可认为电流表内阻情况下可认为R?0。

③将电流表改装成欧姆表

IIgIgRgRG RI

G Rg?R，理想

图2-2-2

?G? R0简易欧姆表接法示意图如图2-2-3所示，R0为调零电阻，表头内阻为

Rg，满偏刻度为Ig。测量前，应先将两表笔短接，调节R0??黑红物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！图2-2-3

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

使流过表头的电流为

Ig，若电池的电动势为?，内阻为r，则

Ig??R0?Rg?r??R中

如果在两表笔间接一电阻

Rx1?R中，则电流减半，指针指表盘中央，因此，

R0?Rg?r称为“中值电阻”

，表盘最左刻度对应于Rx2??，最右边刻度对应于

Rx3?0，对于任一阻值Rx，若

Ig?I??,nR中?RxRx3?0 得 Rx??n?1?R中

这就是欧姆表的刻度原理，如欧姆表的中值电阻

8.4k3.6k1.2k?0R?1.2k?中，表盘满偏1/4处的刻度为?4?1??1.2k??3.6k?，

图2-2-4

表盘满偏1/8处的刻度为8.4k?，如图2-2-4所示。

欧姆表的量程改变后，各刻度所对应的电阻值应乘以相同倍率，另外要注意，凡使用欧姆表，必须进行机械调零和欧姆调零，并且，换档后一定要重新进行欧姆调零。

④将电流表改装成交流电压表

交流电压表是直流电压表的基础上改装而成的，在直流电压表上串联一个二极管，就组成交流电压表。串联二极管后，电表显示的是交流电的平均值（它等于有效值的0.45倍）。用U代表某一量程的交流电压有效值，若不考虑二极管正向电阻值，则限流电阻计算公式为

R?0.45U?R?gIg

实验指出，二极管是一且非线性元件，它的伏安特性为一条60弯曲的图线，如图2-1-5所示，当二极管的正向电阻后，限流电

40阻R与交流电压U之间的关系不再是线性的。因此，最大量程的交流电压表的表盘刻度是不均匀的，如采用J0411型多用电表测20量2.5V以下的交流电压时，要使用表盘上第三条刻度线，它的起

0始段刻度很密，刻度是不均匀的。这一点，从图2-2-5中可以看得很清楚，在二极管两端电压小于0.8V的一段图线上，相同的电压变化（例如0.2V）所对应的电流是不同的：顺次分别为

0.40.8U(V)图2-2-5

1.7mA、3.5mA、7.1mA、18.3mA。

2．2 ．2、电动势与电功率

（1）电源有保持两极间有一定电压的作用，不同种类的电源，保持两极间有一定电压的本领不同。例如：干电池可保持正、负极间有1.5V的电压；常用的铅锌蓄电池可保持两极间

物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

有2.0V的电压。为了表征电源的这种特性，物理学上引入了电动势这个物理量，电源的电动势在数值上等于电源没有接入外电路时两极间的电压。将理想表直接接在电源的两极上测出的电压就是电源的电动势。

（2）电流通过一段路时，自由电荷在电场力作用下发生定向移动，电场力对自由电荷作功。电流在一段电路上所做的功W，等于这段电路两端的电压U、电路中电流I和通电时间t三者的乘积。即

W?UIt

WP??UIt单位时间内电流所做功叫做电功率，用P表示电功率，则。

§2.3、电学基本定律

2．3．1、焦耳定律

电流在一段只有电阻元件的电路上所做的功等于电流通过这段电路时的所产生的热量Q。焦耳通过实验得到结论：如果通过一段只有电阻元件的电路的电流为I，这段电路的电阻为R，通电时间为t，则

Q?I2Rt

这就是焦耳定律，我们还可推出这段电路中电流的发热功率为P?IR。

电流做功的过程，就是电能转化为其他形式的能的过程。一般来讲，人们用电的目的往往不是为了发热。如使用电动机是为了将电能转化为机械能，使用电解槽是为了将电能转化为化学能等等。发热只是副效应，因此，一般说来电热只是电功的一部分，热功率是电功的一部分。

2．3．2、欧姆定律 ①部分电路欧姆定律：导体中的电流强度I跟它两端所加的电压U成正比，跟它的电阻R成反比，即

2I?UR

上式适用于金属导电和电解液导电的情况。对非线线元件（如灯丝、二极管）和气体导电等情况不适用。

②一段含源电路欧姆定律：电路中任意两点间的电势差等于连接这两点的支路上各电路元件上电势降落的代数和，其中电势降落的正、负符号规定如下：

a.当从电路中的一点到另一点的走向确定后，如果支路上的电流流向和走向一致，该支路电阻元件上的电势降取

R2正号，反之取负号。

R1R2I2Bb.支路上电源电动势的方向和走向一致时，电源的电势AI1r1?1?r22r3?3物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！

图2-3-1

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

降为电源电动势的负值（电源内阻视为支路电阻）。反之，取正值。

如图2-3-1所示，对某电路的一部分，由一段含源电路欧姆定律可求得：

UA?UB?I1R1??1?I1r1??2?I2r2?I2R2??3?I2R3

③闭合电路欧姆定律和电源输出功率〈1〉闭合电路欧姆定律 U闭合电路欧姆定律公式：

? I?R?r

路端电压

U?ImIORU???r?I

RU???R?r

对于确定电源?、r一定，则U?I图线和U?R图线如图2-3-2和2-3-3所示。其中

图2-3-2 图2-3-3

Im??r，为电源短路电流。

P源?I??〈2〉电源输出功率

?2电源的功率

?R?r?

?2P?IU?出电源输出功率当R?R?r??R??2?R?r?2?4rR

?r时电源输出功率为最大

P最大??24r

此时电源效率 ??50%

电源输出功率P随外电阻R变化如图2-3-4所示，若电源外电阻分别为R1、R2时，输出功率相等，则必有

I2AR2R4Br2?R1?R2

例2、如图2-3-5所示电路，设电源电压不变，问：（1）R2R3R1I1I3?物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！图2-3-5

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

在什么范围内变化时，R2上消耗的电功率随R2的增大而增大？（2）R2在什么范围内变化时，R2上消耗的电功率随R2增大而减小？（3）R2为何值时，R2上消耗的电功率为最大？

2随R2变化的表达式。解：先求出P?R2?R4?R3RAB??R2?R4??R3

PP最大OR1rR2R图2-3-4

I1?I1?

?R2?R4??R3R1??R2?R4??R3?R2?R4?R3??

R1R2?R1R4?R1R3?R2R3?R3R4UAB?I1RAB????R2?R4?R3R1R2?R1R4?R1R3?R2R3?R3R4222??RU3?R2AB?P2?I22R2??R??R?R?2?RR?RR?RR?RR?RR?2?24?1214132334

R32?2R2?[?R1R4?R1R3?R3R4??R2?R1?R3?]2令：

R1R4?R1R3?R3R4?A

R2?R1?R3??BR32?2?C

则：

P2?

CR2CR2??A?BR2?2?A?BR2?2?4ABR2

物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

C?A???BR2??4AB?R?2??

2（1）当A＞B

R2时，即R1R4?R1R3?R3R4＞R2?R1?R3?

R2?,A?,BR2?,P2?R2

（2）当A＜BR2时，即R1R4?R1R3?R3R4＞R2?R1?R3?

2?A?A???,P2R??BR?BR222?R?R22??＜0，

2最大（3）当A=BR2时，即R1R4?R1R3?R3R4=R2R1?R3，P2．3．3、基尔霍夫定律

①对电路中任何一个节点，流出的电流之和等于流入的电流之和。

???Ii入??Ij出

或可表达为：汇于节点的各支路电流强度的代数和为零。

??Ii若规定流入电流为正，则从节点流出的电流强度加负号。对于有n个节点的完整回路，可列出n个方程，实际上只有n?1个方程是独立的。

②沿回路环绕一周，电势降落的代数和为零，即

???????IijRj??0

对于给定的回路绕行方向，理想电源，从正极到负极，电势降落为正，反之为负；对电阻及内阻，若沿电流方向则电势降落为正，反之为负。若复杂电路包括m个独立回路，则有m个独立回路方程。

例3、如图2-3-6所示电路中，已知

?1?32V,?2?24V,R1?5?,R2?6?,R3?54?,

求各支路的电流。

分析：题中电路共有2个节点，故可列出一个节点方程。而支路3个，只有二个独立的回路，因而能列出两个回路方程。三个方程恰好满足求解条件。

解：规定I1、I2、I3正方向如图所示，则有

I1I3I2I1?I2?I3?0

两个独立回路，有

?1R1?2R2R3物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！图2-3-6

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

§2、7 物质的导电性

2．7．1、导体的导电性（1）金属中的电流

金属导体内的电流强度与自由电子的平均定向运动速率有关。设金属导体的横截面积为S，单位面积内自由电子的数密度为n，自由电子的平均定向运动速率v，电子电量为e，则

?qneSv?tI???neSv?t?t

?5由上式可估算出电子的定向运动速率是很小的，一般为10m/s数量级，与电子热运

5动的平均速率（约10m/s数量级）和“电的传播速率”（即电场的传播速率，为3?108m/s）不能混为一谈。

（2）。液体中的电流

液体导电包括液态金属导电与电解质导电两种。电解质导电与金属导电的机理不同，固态金属导电跟液态金属（如汞）导电的载流子是自由电子，在导电过程中，金属本身不发生化学变化，而电解质导电的载流子是正负离子，在导电过程中，伴随着电解现象，在正负极板处同时发生化学反应（即电解）。

英国物理学家、化学家法拉第，通过大量的实验，在1833年总结出了两条电解定律。电解质导电时，所析出物质的质量m跟通过电解液的电流强度I成正比，跟通电时间t成正比，就这是法拉第电解第一定律。由于Q?It，法拉第电解第一定律也可表述为：电解时析出物质的质量m跟通过电解液的电量Q成正比，用公式表示为

m?kQ?kIt

式中比例恒量k叫做电化当量，其物理意义是：通过1C电量时，所析出这种物质的质量。各种物质的电化当量跟它的摩尔质量M成正比，跟它的化合价n成正比。这就是法拉第电解第二定律。而在化学中，我们常将M/n称为“化学当量”。因此，法拉第电解第二定律又可简述为：各种物的电化当量与它的化学当量成正比，

即 k?C(M/n)

例如一价银的化学当量等于它的摩尔质量0.107868kg/mol，二价铁的化学当量等于它的摩尔质量0.065 546 kg/mol除以它的化合价，得0.031 772 kg/mol。上式中的比例恒量C是一个普通恒量，对各种物质都是相同的，称为“法拉第恒量”，用F表示。因此，法拉第电解第二定律又可以表示为

k?M/Fn

4实验指出，对于任何物质，都有F?96484C/mol?9.64?10C/mol，将上式代入电解第一定律可得

m?MQ/?Fn?

物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

这就是法拉第电解定律的统一表达式。当析出物质的质量m等于该物质的化学当量，则F与Q在数值上相等。

例12、把2.92g的食盐溶解在1L的水中，测得44%的食盐分子发生电离。若钠离子的迁移率（单位电场强度所产生的平均速率）为4.5?10?8m2/s?V，氯离子的迁移率为

6.67?10?8m2/s?V。求食盐溶液的电阻率。

分析：由于溶液中的电流是正、负离子共同提供的，所以溶液中导电电流微观表达式为

I?I??I??neS?v??v??

子动理论求出离子体密度，代入数据可求解食盐溶液的电子率?。

解：根据溶液中电流的微观表达式

根据欧姆定律、电阻定律可以导出电阻率与钠离子、氯离子迁移率之间的关系，利用分

I?neS?v??v??

根据欧姆定律、电阻定律

I?U/R

R??lS

I?U/?得：

lE?S??neS?v??v??s?

?vv??ne??????ne?k??k???EE? ?

又由分子动理论，求得离子体密度n

1?为电离率，M为摩尔质量，N为阿伏加德罗常数。

1MV?ne(k??k?1)mN??e(k??k?)

?4.17??m

mn??N??MV

??（3）气体中的电流

①通常情况下，气体不导电。只有在电离剂存在或极强大的电场情况下，气体才会被电离而导电。气体导电既有离子导电，又有电子导电。气体导电不遵从欧姆定律。

②由于引起气体电离的原因不同，可分为被激放电和自激放电。在电离剂（用紫外线、X射线或放射性元素发出的放射线照射或者用燃烧的火焰照射气体）的作用下，发生的气体放电现象叫做被激放电。没有电离剂作用而在高电压作用下发生的气体放电现象叫做自激放电。

各种自激放电形式的区别如下表气体电离原因阴极发射电子原因辉光放电电子碰撞被正离子轰击物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

弧光放电火花放电电晕放电强电流通过时产生的高温主要是电子碰撞还有火花本身的辐射很强电场的作用(场致电离和碰撞电离) 被正离子轰击并保持很高的温度(主要是热电子发射) 被正离子轰击种种自激放电形式间的联系主要表现在它们之间可以转化。在放SiSiSiSiSiSi电电流很强时，辉光放电可以变成自由电子弧光放电。若电源的功率很大时，SiSiSiSiSiSi火花放电可以变成弧光放电。空穴2．7．2、半导体的导电性 SiSiSiSiSiSi（1）半导体的导电性导电性能介于导体和绝缘体之图2-7-1 图2-7-2 间的一类物质被称为半导体，如硅、

锗、氧化亚铜等。以硅为例，硅是

四价元素，硅原子最外层四个价电子，在形成单晶硅时，每个原子都以四个价电子与相邻的四个原子联系。相邻的两个原子就有一对共有电子，形成共价键。如图2-7-1所示。共价键中电子是被束缚的。但是由于热运动，极少数电子可能获得足够大能量，挣脱成为自由电子，同时共价键中留下一个空位叫空穴，原子是中性的，失去电子后可以看作空穴带正电，如图2-7-2所示。这个空穴很容易被附近共价键中束缚电子填补，形成新的空穴，束缚电子的填补运动叫空穴运动，在纯净的半导体中，自由电子和空穴是成对出现，叫电子——空穴对。半导体的导电是既有电子导电，又有空穴导电。但由于纯净的半导体中，电子——空穴对数目较少，导电性差。

但采取某些措施如加热或光照，可使更多电子挣脱束缚，形成更多电子一空穴对，导电能力大大增强，这种性质称为热敏特性和光敏特性。同样在纯净半导体中掺入其他元素，也能使半导体的导电性能加强。

（2）N型半导体、P型半导体及P-N结

在纯净的硅中掺入微量的五价元素如磷、砷等，一些硅原子空间位置被五价的原子代替如磷原子。磷在与周围硅原子形成共价键时多出一个电子，很容易成为一个自由电子，相应

P区阻档层N区I?PE?N?OU阻档层电场方向?图2-7-3 图2-7-4

图3-2-5

物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

原子失去电子成为正离子。这类半导体由于磷的掺入自由电子数目显著增多，导致电子浓度比空穴浓度要大得多，因而它主要靠电子导电，叫做电子型半导体或N型半导体。

在纯净的硅中掺入微量三价元素如铟、镓、硼等，同样在晶体中一些硅原子会被它们取代。由于形成共价键时缺少一个电子，附近共价键中电子很容易来填补，使得它们成为负离子，同时形成一个空穴。三价元素的

掺入使空穴的数目增加，这类半导体中空穴浓度要比自由电子浓度大得多，导电主要是空穴导电，因而被称为空穴型半导体P型半导体。

当采用特殊工艺使半导体一侧为P型半导体，另一侧成为N型半导体，由于N型半导体中电子浓度大，而P型半导体中空穴浓度大，结果发生扩散运动，N区由于跑掉电子留下正离子，P区跑掉空穴留下负离子，在它们的交界处附近形成一个电场，如图2-7-3所示，显然这个电场区是阻止它们扩散的，当该阻挡层达稳定时，扩散运动达到动态平衡，这个电场区阻挡层叫PN结。在PN结的N区和P区各引一电极就构成一晶体二极管。晶体二极管对应正、负极及符号如图2-7-4所示。

晶体二极管加正向电压时（P接电源“+”极，N接电源“-”极），外电场与阻挡电场叠加，使PN结阻挡层变薄，这时P区空穴、N区电子又可顺利通过PN结，且外加电压大，这种作用对电子、空穴运动更有利。而电压反向时，会使阻挡层加厚，只有P区自由电子和N区空穴能通过PN结形成反向电流，但是它们的浓度太小，粗略地认为几乎没有反向电流。因而二极管表现为单向导电特

e性，其伏安特性曲线如图集电区集电结P3-2-5所示。 ee（3）晶体三极管 Nbbb晶体三极管由两个PN基区RCP发射结结、三个电极线和管壳构成，ee?分PNP型和NPN型两类，如发射区e???e图2-7-6所示。它的三个电极

ee、b、c分别称为发射极、基P极、集电极。三极管特性是放bRCNb大作用，联接电路如图2-7-7

?e所示。微小的基极电流变化能P??引起集电流较大变化。所以在?e输入端加一个较弱的信号，在输出端Rc 上得到一个放大的图2-7-6 图2-7-7 强信号。

三极管电流分配关系

Ie?Ic?Ib Ic??Ib

物理课件网（www.wulikj.com）----全力打造物理课件、物理试题、物理教案、物理视频第一交流平台！

高中物理竞赛电学教程第二讲恒定电流

放大倍数β

?IcIcIe?Ic?Ib????IbIb

例3、如图2-7-8所示，电阻R1?R2?1k?，电动势??6V，两个相同的二极管串

ID/mA联在电路中，二极管D的ID?UD特性曲线如图2-7-9所示，试求：

（1）通过二极管D电流；（2）电阻R1消耗的功率。