[科普中国]-闭合电路

物理概述

闭合电路 ：

电源是提供电能的，用电器是消耗电能的，导线是输送电能的，开关是控制电流通断的。

电源一般有电池和发电机，用电器就是像灯泡一类的。

物理简介全电路欧姆定律(闭合电路欧姆定律)公式:I=E/(R+r)

其中E为电动势,r为电源内阻,内电压U内=Ir,E=U内+U外

适用范围:纯电阻电路

物理公式闭合电路中的能量转化:

E=U+Ir

EI=UI+I^2R

P释放=EI

P输出=UI

纯电阻电路中

P输出=I^2R

=E^2R/(R+r)^2

=E^2/(R+2r+r^2/R)

当 r=R时 P输出最大,P输出=E^2/4r

(均值不等式)

基本规律电动势电动势是描述电源把其他形式的能转化为电能本领的物理量。要注意理解：

（1）是由电源本身所决定的，跟外电路的情况无关。

（2）物理意义：电动势在数值上等于电路中通过1库仑电量时电源所提供的电能或理解为在把1 库仑正电荷从负极（经电源内部）搬送到正极的过程中，非静电力所做的功。

（3）注意区别电动势和电压的概念。电动势是描述其他形式的能转化成电能的物理量，是反映非静电力做功的特性。电压是描述电能转化为其他形式的能的物理量，是反映电场力做功的特性。

闭合电路的欧姆定律（1）意义：描述了包括电源在内的全电路中，电流强度与电动势及电路总电阻之间的关系。

（2）公式：；常用表达式还有：I=E/(R+r)1

电压与电阻关系闭合电路中的总电流是由电源和电路电阻决定，对一定的电源，r视为不变，因此，的变化总是由外电路的电阻变化引起的。

还可将路端电压表达为：以r为参量的U--I图像。

这是一条直线，纵坐标上的截距对应于电源电动势，横坐标上的截距为电源短路时的短路电流，直线的斜率大小等于电源的内电阻。

输出功率与外电阻关系恒定电源输出最大功率的三个等效条件是：

（1）外电阻等于内电阻。

（2）路端电压等于电源电动势的一半。

（3）输出电流等于短路电流的一半。

除去最大输出功率外，同一个输出功率值对应着两种负载的情况。一种情况是负载电阻大于内电阻，另一种情况是负载电阻小于内电阻。显然，负载电阻小于内电阻时，电路中的能量主要消耗在内电阻上，输出的能量小于内电阻上消耗的能量，电源的电能利用效率低，电源因发热容易烧坏，实际应用中应该避免。

同种电池的串联n个相同的电池同向串联时，设每个电池的电动势为，内电阻为r，则串联电池组的总电动势，总内电阻，这样闭合电路欧姆定律可表示为，串联电池组可以提高输出的电压，但应注意电流不要超过每个电池能承受的最大电流。

电阻的测量（1）伏安法：伏安法测电阻的原理是部分电路的欧姆定律，测量电路有安培表内接或外接两种接法：

两种接法都有系统误差，所以为了确定实验电路，一般有两种方法：一是比值法，二是试接法。2

（2）欧姆表：欧姆表是根据闭合电路的欧姆定律制成的。

（3）用安培表和伏特表测定电池的电动势和内电阻。

如图1所示电路，用伏特表测出路端电压，同时用安培表测出路端电压时流过电流的电流I1；改变电路中的可变电阻，测出第二组数据；根据闭合电路欧姆定律，列方程组（如图2）

解之，求得（如图3）

上述通过两组实验数据求解电动势和内电阻的方法，由于偶然误差的原因，误差往往比较大，为了减小偶然因素造成的偶然误差，比较好的方法是通过调节变阻器的阻值，测量5组～8组对应的U、I值并列成表格，然后根据测得的数据在U--I坐标系中标出各组数据的坐标点，作一条直线，使它通过尽可能多的坐标点，而不在直线上的坐标点能均等分布在直线两侧，如图所示：这条直线就是闭合电路的U--I图像，U是I的一次函数，图像与纵轴的交点即电动势，图像斜率为电阻r。3