1、1 电源和电流 1.了解电流的形成;知道电源的作用和导体中的恒定电场。2.知道电流的定义,单位、方向的规定;理解恒定电流。3.理解电流形成的微观实质。1.电源使电路中保持持续的电流,能把电子从一个位置搬运到另一位置的装置就是电源。2.恒定电场(1)导线中的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。(2)尽管这些电荷在运动,但电荷的分布是稳定的,这种由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场,称为恒定电场。恒定电场是静电场吗?提示:不是静电场。但静电场中的一些规律同样适用于恒定电场。3.恒定电流(1)把大小、方向都不随时间变化的电流称为恒定电流。(2)电流:物理意义:表示电流强弱程度的物理量。
2、电流越大,单位时间内通过导体横截面的电荷量越多。单位:在国际单位制中是安培,简称安,符号是A。更小的单位还有毫安(mA)、微安(A),换算关系为1 A=103 mA=106 A。标量:电流虽然有方向,但不是矢量,不符合矢量对方向的要求。电流的方向是这样规定的:导体内正电荷定向移动的方向为电流的方向。公式表达:I=,或写成电荷量的表达式:=。金属导体中的电流是怎样形成的?提示:金属导体中的电流是自由电子定向移动形成的,自由电子定向移动的方向与电流的方向相反。1.对电流的理解(1)电流的形成:产生电流的条件:导体两端有电压。形成持续电流的条件:电路中有电源且电路闭合。(2)电流的方向:规定正电荷定
3、向移动的方向为电流的方向,则负电荷定向移动的方向与电流的方向相反。金属导体中自由移动的电荷是自由电子,电流的方向与自由电子定向移动的方向相反。(3)电流的大小:公式:I=。用该式计算出的电流是时间内的平均值。对于恒定电流,电流的瞬时值与平均值相等。两点说明:a.电解液中正、负离子定向移动的方向虽然相反,但正、负离子定向移动形成的电流方向是相同的,应用 I=求电流时,为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和。b.q=It 是 I=的变形,是求电荷量的重要公式。其中是电流在时间内的平均值。(4)电流是标量:电流虽然有方向,但是它遵循代数运算法则,所以电流不是矢量而是标量。特别提醒(1)公式 I
4、=中q 是时间 t 内通过某横截面的电荷量,不是单位横截面的电荷量。(2)用公式 I=计算电流大小时,只需代入电荷量的绝对值,且 q要与时间 t 相对应。(3)横截面的选取是任意的,电流的大小与横截面无关。2.电流的微观表达式(1)电流的微观表达式:I=nqSv。其中n是导体每单位体积内的自由电荷数,q是每个自由电荷的电荷量,v是导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率,S是导体的横截面积。推导过程如下:如图所示,在加有电压的一段粗细均匀的导体AD 上选取截面 B 和 C,设导体的截面积为 S,导体每单位体积内的自由电荷数为n,每个自由电荷的电荷量为q,自由电荷的定向移动速率为 v,则在时间 t
5、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 C。可得 I=。(2)根据电流的微观表达式可以看出,电流决定于导体中单位体积内的自由电荷数、自由电荷的电荷量、自由电荷定向移动的速度,还与导体的横截面积有关。(3)由I=nqvS可以看出,同种导体横截面积越大的位置,电荷定向移动的速率越小。特别提醒若已知单位长度的自由电荷数为n,则电流的微观表达式为I=vnq。3.三种速率的比较(1)三种速率概念:电子定向移动的速率:电子在金属导体中的平均运动速率。电流的传导速率:电流在导体中的传导速率。电子热运动的速率:自由电子在导体内做无规则热运动的速率。(2)三种速率的比较:比较项 物理意
6、义 大小/(ms-1)电子定向移动的速率 金属导体内电子的定向移动形成电流,电流与电子定向移动速率的关系为 I=neSv 110-5 电流的传导速率 电流的传导速率等于光速。电路一接通,导线中以光速 c 在各处形成电场,进而使自由电子发生定向运动形成电流 3108 电子热运动的速率 导体内电子不停地做无规则的热运动,由于向各个方向运动的机会均等,不能形成电流 1105 特别提醒电流的形成是电子在速率很大的无规则热运动上附加一个速率很小的定向移动,电路闭合时,瞬间在系统中形成电场,使导体中所有自由电荷在电场力的作用下共同定向移动,并不是电荷瞬间从电源运动到用电器。类型一 类型二 电流的计算【例1
7、】某电解池中,若在2 s内各有1.01019个二价正离子和2.01019个一价负离子通过某截面,那么通过这个截面的电流是()A.0 B.0.8 A C.1.6 A D.3.2 A点拨:电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量,而正电荷的定向移动形成电流与负电荷定向移动形成电流是等效的,只不过正电荷定向移动的方向与负电荷定向移动的方向相反而已。类型一 类型二 解析:电荷的定向移动形成电流,但正、负电荷同时向相反方向定向移动时,通过某截面的电荷量应是两者绝对值的和。故由题意可知,电流由正、负离子定向移动形成,则在2 s内通过截面的总电荷量应为q=1.610-1921.01019 C+1.61
8、0-1912.01019C=6.4 C。根据电流的计算公式得 I=6.42 A=3.2 A。答案:D 题后反思正确理解电流的形成,当正、负电荷都参与定向移动时,正、负电荷对电流的形成都有贡献。类型一 类型二 触类旁通在例1中,如果在2 s内到达阳极的负离子和到达阴极的正离子的电荷量都是3.2 C,那么电解池中的电流又是多大?解析:到达阴极的3.2 C的负离子,可理解为有1.6 C的负离子由阴极到达阳极,同时又有1.6 C的正离子由阳极到达了阴极,故电解池中的电流为 答案:1.6 AI=3.22 A=1.6 A。类型一 类型二 电流微观表达式的应用【例2】(多选)横截面积为S的导线中通有电流I。
9、已知导线每单位体积中有n个自由电子,每个自由电子的电荷量是e,自由电子定向移动的速率是v,则在时间t内通过导线横截面的电子数是()A.nSvtB.nvtC.D.点拨:电子数等于总电荷量除以每个电子的电荷量,只要求出通过导体截面的电荷量,即可求出电子数。类型一 类型二 解析:电荷量q=It,单位体积内的电子数已知,要求出t时间内有多少电子通过截面,才能求出电子数。(1)根据电流的定义式可知,在t内通过导线截面的电荷量q=It。所以在这段时间内通过导体横截面的自由电子数为 N=,选项C 正确。(2)自由电子定向移动的速率是v,因此在时间t内,位于以截面S为底、长l=vt的这段导线内的自由电子都能通过截面。这段导线的体积V=Sl=Svt,所以t内通过截面S的自由电子数为N=nV=nSvt,选项A正确。答案:AC 题后反思本题主要考查电流的定义式和微观表达式的应用。求解此题的关键是对电流的本质要有正确的理解,依据电流的宏观和微观表达式,灵活解答。类型一 类型二 触类旁通在例2中,如果导线上均匀带有负电荷,每米电荷量为q,当此导线沿轴线方向做速度为v的匀速直线运动时,由于导线运动而形成的等效电流大小为()A.vq B.C.D.解析:在运动方向上假设有一截面,则在 t 时间内通过截面的电荷量为 Q=vtq,等效电流 I=,故A 正确。答案:A
