1电源和电流

电源和电流主讲老师刘亚南回顾：电流是怎样形成的？电流是由电荷的定向移动而形成的。要形成电流，必须满足什么条件？既然电流是由电荷的定向移动而形成的，所以，要形成电流，首先必须要有能够自由移动的电荷——自由电荷。不过，有了自由电荷，并不一定就能形成电流！一般的导体内都有大量的自由电荷（自由电子），但当导体两端没有加上电压时，自由电子只能在各自的平衡位置附近做杂乱无章的热运动，从宏观上看，电荷的热运动，不能形成电流．一旦在导体两端加上一个电压，导体内部就会形成一个电场，导体内部的自由电子将会受到一个与场强方向相反的电场力作用而发生定向移动，从而形成电流。可见，要形成电流，导体两端还必须有电势差。+-U讨论：如图所示，A、B为两个带等量异种电荷的金属球，若用导线将两个球连接起来，导线两端是否有电压？导线中是否有电流流过？A++++++++_B_______有！导线与AB连接后，导线中的电场方向由A-B，导线中的自由电子所受电场力的方向与场强方向相反，自由电子在电场力作用下将由B向A移动，从而形成电流，但是，随着自由电子由B向A移动，A吸收自由电子，电势降低，B失去电子电势升高，最终，AB的电势达到相等，A、导线、B将成为一个等势体，内部场强处处为0，电子因不再受电场力作用而停止定向移动，电流消失。故这种情况下，导线中只有瞬时电流流过！-A++++++++_B_______-BA等势体讨论：怎样才能使上述导线中有持续的，恒定不变的电流流过？装置P能够把自由电子从A搬运到B，它就是我们通常所讲的电源。可见，电源在闭合电路中的作用就是：不断地把从电源负极经过外电路流到电源正极的自由电子及时通过电源内部搬运回电源负极，从而使导线两端或使电源两极间维持稳定不变的电压，使电路中有持续的，稳定不变的电流流过。在有电源的电路中,导线内部的电场又有何特点?讨论:导线内的电场，是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。尽管这些电荷也在运动，但有的流走了，另外的又来补充，所以电荷的分布是稳定的，电场的分布也不随时间的变化而变化——这种由稳定分布的电荷产生的稳定不变的电场称为恒定电场.假设在电源正、负极之间连一根导线MNEAB导线内很快形成沿导线方向恒定电场恒定电场的电场强度不变导体中的自由电子在恒定不变的电场力作用下本应该做匀加速运动，速度本应该不断增加，但自由电子在运动过程中会与导体中静止不动的粒子碰撞而减速，故自由电子定向移动的速率会保持不变。如果在电路中串连一个电流表,电流表读数不会变电路中电流的大小和方向不变这种大小和方向不随时间变化的电流，叫做恒定电流，这一章我们研究的就是恒定电流小结：一.电流的基本概念：1、电流是由电荷的定向移动而形成的。2、导体中形成电流的条件：（1）导体存在自由电荷（2）导体两端存在电压3、电路中形成持续、稳定电流的条件：（1）电路闭合（2）电路中存在电源二、电源在电路中的作用：不断地把从电源负极经过外电路流到电源正极的自由电子及时通过电源内部搬运回电源负极，从而使导线两端或使电源两极间维持稳定不变的电压，使电路中有持续的，稳定不变的电流流过。或者说电源在电路中的作用：在导体内部建立一个恒定电场，使导体内部的自由电子在恒定不变的电场力作用下匀速率定向移动，从而形成恒定电流。三、恒定电场——由稳定分布的电荷产生的稳定不变的电场四、恒定电流——方向和强弱都不随时间变化的电流．直流电——方向不随时间变化的电流。交流电——方向随时间变化的电流。本章只研究恒定电流！不同的恒定电流，电流的强弱会不同，即在相同的时间内，通过导体某一横侧面积的电荷量不同，在相同的时间内，通过导体某一横侧面积的电荷量越多，我们就说电流越强，故在物理学中，电流的强弱可以用通过导体某一横侧面积的电量和通过这一电量所用时间的比值来表示，这个比值我们称之为电流强度。五、电流强度（1）定义：通过导体某一横截面积的电荷量q跟通过这些电荷量所用的时间t的比值叫~（2）定义式：I=q/t（3）单位：是物理学中七个基本单位之一，在国际单位制中，电流的单位是安培，符号是A．常用单位有毫安（mA）、微安（A）．1A＝103mA＝106A（4）电流是标量．它的运算不遵循平行四边形定则，但习惯上规定电流的方向与正电荷定向移动的方向相同，在金属导体中，电流方向与自由电荷（电子）的定向移动方向相反；在电解液中，电流方向与正离子定向移动方向相同，与负离子定向移动方向相反．在外电路中电流方向由电源正极到负极，在电源内部电流方向由电源负极到正极。（5）物理意义：表示电流强弱和方向的物理量。六、对I=q/t的理解要注意：①I=q/t为电流强度的定义式，对任何情况都适用。②电流强度由电路状态所决定，与q、t均无关！例1、在金属导体中，若10s内通过某一横截面的电量为10C，问导体中的电流为多大？解：根据电流的定义式得到通过导体的电流为1A．例2：氢原子的核外只有一个电子，设电子在离原子核距离为R的圆轨道上做匀速圆周运动。已知电子的电荷量为e，运动速率为v，求电子绕核运动而形成的等效电流多大？RevtqI2例3：如图所示，在cuso4溶液中，正负离子定向移动，测得2s内有1X1019个cu2+与1X1019个so42-通过溶液内部的横载面M,问：溶液中的电流方向向哪里？电流强度为多大？方向由A到B,电流强度为3.2A。ABM例4、在加有电压的一段粗细均匀的导体AD上选取两个截面B和C，设导体的横截面积为S．导体每单位体积内的自由电荷数为n，每个电荷的电荷量为q，电荷的定向移动速率为v，求：导体中的电流强度。I=nqsv例5、如图所示，导体的电阻R=6Ω，加在导体两端的电压U=12V，求流过导体的电流为多大？RUI=U/R=12V/6Ω=2A三、电流强度的计算方法：①只有一种电荷定向移动而形成电流时。用I=q/t计算。②有正负电荷沿相反方向定向移动而形成电流时，用I=(|q+|+|q-|)/t计算。③当有粒子流定向移动而形成电流时，从微观入手，用I=nqsv来计算（n为电荷体密度，S为导体横截面积，v为电荷定向移动速率）④已知导体的电阻及加在导体两端的电压时，流过导体的电流用欧姆定律I=U/R来计算。总结:例5:有一条横截面积S=1mm2的铜导线,通过的电流I=1A,已知铜的密度ρ=8.9×103kg/m3,铜的摩尔质量M=6.4×10-2kg/mol,阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol-1,电子的电量e=-1.6×10-19C,求铜导线中自由电子定向移动的速率.（可认为铜导线中平均每个铜原子贡献一个自由电子.）vtvsvAIMvSNe57.510/ms【例6】来自质子源的质子（初速度为零），经一加速电压为800kV的直线加速器加速，形成电流强度为1mA的细柱形质子流．156.25102:1已知质子电荷e=1.60×10-19C，这束质子流每秒打到靶上的质子数为___________．假定分布在质子源到靶之间的加速电场是均匀的，在质子束中与质子源相距L和4L的两处，各取一段极短的相等长度的质子流，其中的质子数分别为N1和N2，则N1:N2=_______．讨论:电子的定向运动速率，一般数量级为10-5m/s。如果认为电子的定向运动速率就是电流的传导速率，这和我们的生活经验是否相符？怎样解释？电子热运动速率：任何微观粒子都做无规则运动，其速率与温度有关，通常情况电子热运动的平均速率为105m/s电子定向移动速率:其大小与电流有关，一般数量级为10-5m/s（对每个电子而言）电流传导速率：等于光速3×108m/s.电路一接通，导体中的电子立即受到电场力作用而定向移动形成电流（对整体而言）注意几个速度问题你知道吗？1手电筒中小灯泡的工作电流是0.25A。2电子手表工作时，液晶显示屏的电流为0.2μA左右。3彩色电视机工作时，屏幕为21吋，电源的工作电流为0.4A左右；屏幕为29吋,电源的工作电流为1A左右。450Hz的交流电，人能感触到的触电电流为1mA，能够自行摆脱电源的触电电流为10mA，触电电流达到50mA以上，将引起心室颤动。因此，国际电工委员会规定的安全电流（摆脱电流）为10mA1.导体中电流是0.5A，求半分钟内通过导体横截面的电子数？（保留1位有效数字）2、有一横载面积为S的铜导线，单位体积内的自由电子数目为n，电子电量为e，定向移动速率为V，则在t时间内，通过导线某一横载面的自由电子数目为多少？巩固训练n=1x1020个N=nSVt3、关于电流的方向，下列叙述中正确的是A．金属导体中电流的方向就是自由电子定向移动的方向B．在电解质溶液中有自由的正离子和负离子，电流方向不能确定C．不论何种导体，电流的方向规定为正电荷定向移动的方向D．电流的方向有时与正电荷定向移动的方向相同，有时与负电荷定向移动的方向相同C4、下列说法正确的是：（）A.用导线把开关、电灯等用电器连接起来就组成了一个完整的电路。B.电源是使电路中有持续电流的装置。C.干电池、蓄电池、发电机、电动机都是电源。D.手电筒照明时，电流方向是由电池的负极经灯泡到正极的。作业:P431、2、3E0假设在电源正、负极之间连一根导线ABMNE0MNEEE0E′导线内很快形成沿导线方向恒定电场MNE0FnFtF