2.1导体中的电场和电流

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1、2.1、导体中的电场和电流、导体中的电场和电流 第二章第二章 直流电路直流电路雷鸣闪电时雷鸣闪电时,强大的电流使强大的电流使天空发出耀眼的闪光天空发出耀眼的闪光,但它但它只能存在于只能存在于一瞬间一瞬间,而手电而手电筒中的小灯泡却能筒中的小灯泡却能持续发光持续发光,这是为什么这是为什么?一、电流的形成一、电流的形成1 1电流：电流：电荷的热运动，从宏观上看，电荷的热运动，从宏观上看，不能形成电流不能形成电流 电荷的定向移动形成电流电荷的定向移动形成电流-BA-A+_B_等势体等势体2.2.导体中产生电流的条件导体中产生电流的条件: :导体两端存在导体两端存在电势差电势差AB水池导体中自由电子的

2、定向移导体中自由电子的定向移动使两个带电体成为等势动使两个带电体成为等势体，达到静电平衡，导线体，达到静电平衡，导线R R中会产生一个中会产生一个瞬时瞬时电流电流抽水机抽水机R RR R-+A+_B_P-二、电源1.1.能把自由电子从能把自由电子从正极正极搬到搬到负极负极的装置的装置. .2.2.作用作用: :保持保持导体两端的电势差导体两端的电势差( (电压电压),),使使电路有电路有持续持续的电流的电流. .3.常见的电源：电池、发电机常见的电源：电池、发电机 形成电流的条件：形成电流的条件： （1 1）存在）存在自由电荷自由电荷金属导体金属导体自由电子自由电子 电解液电解液正、负离子正、

3、负离子（2 2）导体两端存在）导体两端存在电压电压 当当导导体体两两端端存存在在电电压压时时，导导体体内内建建立立了了电电场场，导导体体中中的的自自由由电电荷荷在在电电场场力力的的作作用用下下发生定向移动，形成电流发生定向移动，形成电流 电电源源的的作作用用是是保保持持导导体体两两端端的的电电压压，使导体中有使导体中有持续持续的电流的电流-+A+_B_P假设在电源正、负极假设在电源正、负极之间连一根导线之间连一根导线MNE0FFnFt三、恒定电场三、恒定电场-+A+_B_PMNE0FFnFtMNE0E0E MNE导线内很快导线内很快形成沿导线形成沿导线方向的电场方向的电场三、恒定电场三、恒定电

4、场导体内的电场线保持和导线平行导体内的电场线保持和导线平行假设在电源正、负极假设在电源正、负极之间连一根导线之间连一根导线 我们在上一章中曾经得出结论我们在上一章中曾经得出结论: :在在静电平衡静电平衡时时, ,导体内部的导体内部的场强为场强为零零, ,导体上任意两点之间的电势差导体上任意两点之间的电势差为零为零( (等势体等势体).).这与我们现在的说这与我们现在的说法有矛盾吗法有矛盾吗? ?为什么为什么? ?思考题思考题 导线内的电场，是由电源、导线内的电场，是由电源、导线等电路元件所积累的电荷导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。尽管这些电荷也共同形成的。尽管这些电荷也在运动，但在运动，

5、但有的流走了，另外有的流走了，另外的又来补充的又来补充，所以电荷的分布，所以电荷的分布是稳定的，电场的分布也稳定。是稳定的，电场的分布也稳定。-恒定电场恒定电场 恒定电场恒定电场 由由稳定分布稳定分布的电荷产生的电荷产生稳定稳定的电场称为恒定电场的电场称为恒定电场. .区别：区别：静电场静电场 静电场与稳恒电场的异同静电场与稳恒电场的异同静止电荷产生静止电荷产生电荷可以运动电荷可以运动(静止静止和运动电荷共同产生和运动电荷共同产生)稳恒电场稳恒电场导体内导体内E=0E=0导体内导体内E E可以可以0 0不需不需消耗能量来维持消耗能量来维持需消耗能量来维持需消耗能量来维持相同：相同：场的分布不随

6、时间变化场的分布不随时间变化静电场可看成是静电场可看成是稳恒电场的特例。稳恒电场的特例。恒定电场恒定电场电场强度不变电场强度不变自由电子在各个位置的定向运动自由电子在各个位置的定向运动速率速率也不变也不变串一个电流表串一个电流表, ,读数不会变读数不会变恒定电流恒定电流四、恒定电流四、恒定电流 1 1、大小方向都、大小方向都不随时间变化不随时间变化的电流称为恒的电流称为恒定电流定电流. . 2 2、电流、电流( (I I):):表示电流的强弱程度表示电流的强弱程度. . 定义定义: :通过导体横截面的电量通过导体横截面的电量q q跟通过这些跟通过这些电量所用时间电量所用时间t t的比值叫做电流

7、的比值叫做电流 . . 公式公式: :I I= q / t= q / t 单位单位: :国际单位国际单位 安培安培(A) 1A=1C/s(A) 1A=1C/s 常用单位：毫安（常用单位：毫安（mAmA）、微安（）、微安（AA） 方向方向: :正电荷定向移动的方向正电荷定向移动的方向 电流是标量电流是标量电流是标量电流是标量它的运算不遵循平行四边形定则它的运算不遵循平行四边形定则它的运算不遵循平行四边形定则它的运算不遵循平行四边形定则（1 1）适用于）适用于任何电荷任何电荷的定向移动形成的电流。的定向移动形成的电流。（2 2）在）在金属导体金属导体中，电流方向与中，电流方向与自由电荷（电自由电荷

8、（电子）子）的定向移动方向的定向移动方向相反相反；（3 3）在）在电解液中电解液中，电流方向与正离子定向移动，电流方向与正离子定向移动方向方向相同，与相同，与负离子负离子定向移动方向定向移动方向相反相反导电导电时，是正负离子向相反方向定向移动形成电流，时，是正负离子向相反方向定向移动形成电流，电量电量q q表示通过截面的正、负离子表示通过截面的正、负离子电量电量绝对值绝对值之和之和。注意注意1 1、在金属导体中，若、在金属导体中，若10s10s内通过横截面的电量内通过横截面的电量为为10C10C，则导体中的电流为，则导体中的电流为_A_A； 1A 1A 2 2、某电解槽横截面积为、某电解槽横截

9、面积为0.5m0.5m2 2，若，若10s10s内沿相反内沿相反方向通过横截面的正负离子的电量均为方向通过横截面的正负离子的电量均为10C10C，则电解液中的电流为则电解液中的电流为_A_A 2A 2A 课堂训练课堂训练3 3决定电流大小的微观量决定电流大小的微观量 在加有电压的一段粗细均匀的导体在加有电压的一段粗细均匀的导体ADAD上选取上选取两个截面两个截面B B和和C C，设导体的横截面积为，设导体的横截面积为S S导体每单位导体每单位体积内的自由电荷数为体积内的自由电荷数为n n，每个电荷的电荷量为，每个电荷的电荷量为q q，电荷的定向移动速率为电荷的定向移动速率为v v 则在时间则在

10、时间t t内处于相距为内处于相距为 vtvt 的两截面的两截面B B、C C间的所间的所有自由电荷将通过截面有自由电荷将通过截面C C 已知：已知：n n为单位体积为单位体积内的自由电荷的个数，内的自由电荷的个数，S S为导线的横截面积，为导线的横截面积，v v为自由电荷的为自由电荷的定向移动速率定向移动速率 . . 在时间在时间t t内通过导体某截面的电量为内通过导体某截面的电量为: : Q=( Q=(VtS)nqVtS)nq 所形成的电流为所形成的电流为: : I I=Q/t=Q/t=nqSVnqSV 例题例题:有一条横截面积有一条横截面积S=1mm2的铜导线的铜导线,通过通过的电流的电流

11、I=1A,已知铜的密度已知铜的密度=8.9103kg/m3,铜的摩尔质量铜的摩尔质量6.410-2kg/mol,阿伏加德罗常阿伏加德罗常数数NA=6.021023mol-1,电子的电量电子的电量e=-1.610-19C .在这个问题中可认为铜导线中平均每个可认为铜导线中平均每个铜原子贡献一个自由电子铜原子贡献一个自由电子.求铜导线中自由电求铜导线中自由电子定向移动的速率子定向移动的速率.qv解：设自由电子在导线内定向移动的速率是解：设自由电子在导线内定向移动的速率是v取一段导线如图，自由电子从它的左端定向取一段导线如图，自由电子从它的左端定向移动到右端所用的时间记为移动到右端所用的时间记为t,

12、则这段导线的则这段导线的长度为长度为vt、体积为体积为vtS、质量为、质量为vtS这段导这段导线中的原子数为线中的原子数为由于导线中每个铜原子贡献一个自由电子，所以这段由于导线中每个铜原子贡献一个自由电子，所以这段导线中的自由电子数目与铜原子的数目相等，也等于导线中的自由电子数目与铜原子的数目相等，也等于n因为时间因为时间t内这些电子全部通过右端横截面，因此通过内这些电子全部通过右端横截面，因此通过横截面的电荷量是横截面的电荷量是vtqvS思考题思考题 如果认为电子的定向运动速率就如果认为电子的定向运动速率就是电流的传导速率，和我们的生活经是电流的传导速率，和我们的生活经验是否相符？怎样解释？

13、验是否相符？怎样解释？ 电子定向移动的速率约电子定向移动的速率约10 10 -5-5 m/sm/s， 电子热运动的平均速率电子热运动的平均速率10 10 5 5 m/s m/s， 电场的传播速率电场的传播速率3 310 10 8 8 m/s. m/s.1 1、形成电流的条件：、形成电流的条件： （1 1）存在自由电荷（）存在自由电荷（2 2）导体两端存在电压）导体两端存在电压2 2、电源的作用：提供持续的电压、电源的作用：提供持续的电压3 3、导线中的电场、导线中的电场: :导线内的电场线保持和导线平行导线内的电场线保持和导线平行. .( (恒定电场恒定电场) )4 4、恒定电流、恒定电流:

14、:大小方向都不随时间变化的电流大小方向都不随时间变化的电流. .5 5、电流、电流: :表示电流的强弱程度的物理量表示电流的强弱程度的物理量. . （1 1）定义式）定义式 I I=q / t=q / t （2 2）金属导体中电流的计算式）金属导体中电流的计算式n n 为单位体积内自由电荷数目，为单位体积内自由电荷数目，S S 为导体横截面积，为导体横截面积，v v为电荷定向移动速率为电荷定向移动速率 q q为每个自由电荷的电量为每个自由电荷的电量小结小结课堂训练课堂训练3 3、关于电流的方向，下列叙述中正确的是、关于电流的方向，下列叙述中正确的是A A金属导体中电流的方向就是自由电子定向金属

15、导体中电流的方向就是自由电子定向移动的方向移动的方向B B在电解质溶液中有自由的正离子和负离子，在电解质溶液中有自由的正离子和负离子，电流方向不能确定电流方向不能确定C C不论何种导体，电流的方向规定为正电荷不论何种导体，电流的方向规定为正电荷定向移动的方向定向移动的方向D D电流的方向有时与正电荷定向移动的方向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相同，有时与负电荷定向移动的方向相同 C C课堂训练课堂训练4 4、某电解质溶液，如果在、某电解质溶液，如果在1 s1 s内共有内共有5.05.010101818个二价正离子和个二价正离子和1.01.010101919个一价负离子通过某横截面，那么通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？过电解质溶液的电流强度是多大？3.2 A 3.2 A 课堂训练课堂训练5 5、氢原子的核外只有一个电子，设、氢原子的核外只有一个电子，设电子在离原子核距离为电子在离原子核距离为R R的圆轨道上的圆轨道上做匀速圆周运动。已知电子的电荷做匀速圆周运动。已知电子的电荷量为量为e e，运动速率为，运动速率为v v，求电子绕核，求电子绕核运动的等效电流多大？运动的等效电流多大？