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1、第六讲 电流、电阻、欧姆定律、焦耳定律（师） 一天，有人问英国光学权威富兰克林：“为什么一个物体在我们视膜上的像是倒立的，而我们都感不到物体时倒立的呢？” 富兰克林想了一下回答说：“当你两耳同时听到一个婴孩哭啼时，为什么马上能肯定哭啼的不是双胞胎呢？” 一、电流1、电流的产生：电荷的定向移动形成电流。2、产生持续电流的条件：（1）内因：存在自由电荷。金属导体自由电子，电解液正负离子。（2）外因：导体两端存在电势差导体两端存在电压时，导体内建立了电场，导体中的自由电荷在电场力作用下发生定向移动，形成电流。电源的作用是保持导体两端的电压，使导体中有持续的电流。3、电流的方向：人们规定正电荷移动的方
2、向为电流的方向。（1）在金属导体中，电流的方向与自由电荷（电子）的定向移动方向相反。在电解液中，电流的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。（2）在外电路中正负，内电路中负正（3）电流是标量，它的运算不遵循平行四边形定则。3、电流的强弱电流I（1）定义：过导体横截面的电量Q与通过这些电量所用的时间t的比值。即（2）单位：电流是物理学中七个基本物理量之一，相应的单是基本单位，在国际单位制中，电流的单位是安培，符号是A，通常单位还有毫安、微安1A=103mA=106A4、决定电流大小的微观量如图所示，在加有电压的一段粗细均匀的导体AD上取两个截面B和C，设导体的横截面是S，导体每
3、单位体积内的自由电荷数是n，每个电荷的电量为q，电荷定向移动的速率为v，则在时间t内处于相距为vt的两截面B、C间的所有自由电荷将通过截面CA B C Dvt由得I=neSv5、区分三种速率：（1）电流传导速率：既电场的传播速率，等于光速3m/s。（2）电荷定向移动速率：I=neSv中的v是电荷定向移动的速率约为m/s（机械运动速率）。（3）电荷无规则热运动的速率大约是m/s6、归纳一下和电流有关的各种表达式 I=neSv (微观) 3、电流的分类：（1）直流电：方向保持恒定的电流。（2）恒定电流：大小和方向均保持不变的电流。（3）交流电：方向均随时间周期性变化的电流。（4）正弦交流电：大小方
4、向均随时间按正弦规律变化的电流。电阻、电阻定律一、电阻：1、定义：导体对电流的阻碍作用就叫电阻。2、大小：加在导体两端的电压与通过导体的电流强度的比值。3、定义式： (比值定义)4、在国际单位制中，电阻的单位是欧姆，简称欧，符号是 。常用的电阻单位还有千欧（k）和兆欧（M）：1 k=103 1 M=106 1的物理意义是：如果在某段导体的两端加上1 V的电压，通过导体的电流是1 A，这段导体的电阻就是1 。所以1 =1 V/A。二、电阻定律：1、内容：温度一定时导体的电阻R与它的长度L成正比，与它的横截面积S成反比。这就是电阻定律。2、公式：R=(决定式) 比例常数跟导体的材料有关，是一个反映
5、材料（不是每根具体的导线的性质）导电性能的物理量，称为材料的电阻率。3、电阻率：电阻率是反映材料导电性能的物理量，由材料决定，但受温度的影响单位是:m电阻率在数值上等于这种材料制成的长为1m，横截面积为1m2的柱形导体的电阻。纯金属的电阻率小，合金的电阻率大材料的电阻率与温度有关系金属的电阻率随着温度的升高而增大。（可以理解为温度升高时金属原子热运动加剧，对自由电子的定向移动的阻碍增大。）铂较明显，电阻温度计就是利用金属的电阻随温度变化制成的。半导体的电阻率随温度的升高而减小（可以理解为半导体靠自由电子和空穴导电，温度升高时半导体中的自由电子和空穴的数量增大，导电能力提高）。有些物质当温度接近
6、0 K时，电阻率突然减小到零这种现象叫超导现象。能够发生超导现象的物体叫超导体。材料由正常状态转变为超导状态的温度叫超导材料的转变温度TC。我国科学家在1989年把TC提高到130K。现在科学家们正努力做到室温超导。锰铜合金和镍铜合金的电阻率随温度变化极小。利用它们的这种性质，常用来制作标准电阻三、半导体1、金属导体的电阻率约为10-810-6m。绝缘体的电阻率约为1081018m。半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间，而且电阻不随随的增加而增加，反随温度的增加而减小的材料称为半导体。常见的半导体材料：锗、硅、砷化镓、锑化铟等。2、半导体的特性：半导体的导电性能：介于导体和绝缘体之间半导体的热敏
7、特性：当温度升高时，电阻变小半导体的光敏特性：当有光照时，电阻变小半导体的掺杂特性：掺入杂质时，电阻变大。3、半导体的应用：（1）利用半导体材料可以制成热敏电阻、光敏电阻、传感器、晶体二极管、晶体三极管等电子元件（2）制成集成电路、超大规模集成电路，开辟了微电子技术的新时代四、超导体1、超导现象和超导体：当温度降低到绝对零度附近时，某些材料的电阻突然减小到无法测量的程度，可以认为电阻突然变为零，这种现象叫做超导现象，能够发生超导现象的导体称为超导体。2、转变温度(TC)：材料由正常状态转变为超导状态的温度，叫做超导材料的转变温度，我国1989年TC=130K几种超导材料的转变温度：铅：TC=7
8、.0 K；汞：TC=4.2 K；铝：TC =1.2 K；镉：TC =0.6 K4、超导现象的应用及发展前景：（1）超导输电（2）超导发电机、电动机（3）超导磁悬浮列车（4）超导电磁铁（5）超导计算机5、超导应用的障碍：（1）超低温的获得（2）常温超导材料的研究（3）我国高温超导材料的研究部分电路欧姆定律一、欧姆定律1、内容：导体中的电流I跟导体两端的电压U成正比，跟导体的电阻R成反比2、公式：或3、适用条件：金属导体，电解质溶液，不适用于空气导体和某些半导体器件二、导体的伏安特性：1、伏安特性曲线：导体中的电流I随导体两端的电压U变化的图线，叫做导体的伏安特性曲线。用纵轴表示电流I，用横轴表示
9、电压U，画出的IU图线叫做导体的伏安特性曲线。如图所示，是金属导体的伏安特性曲线。 在IU图中，图线的斜率表示导体电阻的倒数。即k=tan=。图线的斜率越大，电阻越小。 IU2、线性元件和非线性元件如图，符合欧姆定律的导体的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，具有这种伏安特性的电学元件叫做线性元件。不符合欧姆定律的导体和器件，电流和电压不成正比，伏安特性曲线不是直线，这种电学元件叫做非线性元件。对于线性元件伏安特性曲线是直线，对于非线性元件，伏安特性曲线是非线性的电功和电功率一、电功：1、定义：电功即导体内的自由电荷在导体内的电场中定向移动时电场力对其所做的功，也常说成电流做的功，简称电功。
10、2、实质：是电场力对电荷做功，反映了电能和其它形式能的相互转化。电流做了多少功，就有多少电能转化为其它形式的能。（2）定义式：W=UIt即电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U，电路中的电流I和通电时间t三者的乘积。（3）在国际单位制中，电功的单位是焦耳，简称焦，符号是J。电功的常用单位有：千瓦时，俗称“度”，符号是kWh。1kWh表示功率为1 kW的用电器正常工作1h所消耗的电能。1kWh=1000W3600s=3.6106J二、电功率1、定义：单位时间内电流所做的功叫做电功率。用P表示电功率2、定义式：P=UI3、单位：瓦（W）、千瓦（kW）4、额定功率：用电器正常工作的（最大）
11、功率。用电器上通常标明的功率即指其额定功率。5、实际功率：用电器工作时其两端的电压往往不等于额定电压，此时用电器的功率即为实际功率，不等于额定功率。三、焦耳定律1、电热：其微观解释是：电流通过金属导体时，自由电子在加速运动过程中频繁与正离子相碰，使离子的热运动加剧，而电子速率减小，可以认为自由电子只以某一速率定向移动，电能没有转化为电子的动能，只转化为内能。2、焦耳定律：电流通过导体时产生的热量（电热），跟电流的平方、导体的电阻和通电时间成正比，公式为Q=I2Rt4、热功率：单位时间内发热的功率叫做热功率5、电功率与热功率之间的关系在纯电阻电路（纯电阻元件：电流通过用电器做功以发热产生内能为目
12、的的电学元件中，如电熨斗、电炉子等），电功率和热功率相等。在非纯电阻电路（非纯电阻元件：电流通过用电器做功以转化为除内能以外的其它形式的能为目的，发热不是目的，而是不可避免的能量损失。电机、电风扇、电解槽等）中，电功率和热功率不相等：由于电能除了转化为电热以外还同时转化为机械能或化学能等其它能，所以电功必然大于电热：WQ，这时电功只能用W=UIt计算，电热只能用Q=I 2Rt计算，两式不能通用。6、实际功率和额定功率用电器在额定电压下的功率叫做额定功率：用电器在实际电压下的功率叫做实际功率：实际功率并不一定等于额定功率“用电器在额定电压下”是实际功率与额定功率相等的情况用电器在不使用时，实际功
13、率是0，而额定功率仍然是它的额定值题型解析类型题： 根据电流的定义计算导体的电流 金属导体中电流的计算：【例题】如图所示，横截面积为S的导体中，单位体积内的自由电子数为n，每个电子的电量为e，在电场力的作用下电子以速度v定向移动。求导体中的电流。如果导体中单位长度内的自由电子数为n，则导体中的电流又是多少？（答案：I=neSvI=nve）这个公式只适用于金属导体，千万不要到处套用电解液导电电流的计算：电解液导电中，如果5s内沿相反方向通过导体横截面的正负离子的电量均为5C，则电解液中的电流为多少？ （答案：I=2A）【例题】某电解质溶液，如果在1 s内共有5.01018个二价正离子和1.010
14、19个一价负离子通过某横截面，那么通过电解质溶液的电流强度是多大？解析：设在t=1s内，通过某横截面的二价正离子数为n1，一价离子数为n2，元电荷的电荷量为e，则t时间内通过该横截面的电荷量为q=（2n1+n2）e电流强度为I=1.610-19A=3.2 A环形电流的计算【例题】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，求电子绕核运动的等效电流多大？解析：取电子运动轨道上任一截面，在电子运动一周的时间T内，通过这个截面的电量q=e，由圆周运动的知识有：T=根据电流的定义式得：I=【例题】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。已知质子电荷e=1.6010-19C。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n1n2=_。L4L质子源v1 v2解析：按定义，由于各处电流相同，设单位长度的电子数为n，则：由 则 类型题： 伏安特性曲线 【例题】 实验室用的小灯泡灯丝的I-U特性曲线可用以下哪个图象来表示：IU
