恒定电流
电荷的定向运动
电流定义为电荷的定向运动;其形成条件为导体两端有电压
概念
1、电源的作用:提供持续的电压。
2、形成电流的条件:
(1)存在自由电荷
(2)导体两端存在电压
3、恒定电流的概念:大小、方向都不随时间变化的电流。
4、电流有方向,但它是标量;规定:正电荷定向移动的方向是电流的方向。
注:在电源外部,电流从电源的正极流向负极;在电源的内部,电流从负极流向正极。
恒定电场
恒定电场产生恒定电流,同时,也产生恒定磁场,但恒定电场与恒定磁场的场量是相互独立的。
由于恒定电场的作用,导体中的自由电荷定向运动的速率增加;而运动过程中会与导体内部不动的粒子碰撞从而减速,因此自由电荷的平均速率不随时间变化。
基本特性
定义式:I=q/t
其中,I:电流强度(A),q:在时间t内通过导体横截面的电量(C),t:时间(s)
金属导体中电流的计算式:I=nqSv
其中,n:自由电子数目,q:每个自由电子的电荷量(C),S:导体的横截面积(m2),v:自由电子在导线内定向移动的速率(m/s)。
2、电动势
E=W/q
其中,E:电动势(V),W:非静电力所做的功(J),q:电荷量(C)
电源的参数:
①电动势:它取决于电池的正负极材料及电解液的化学性质,与电池的大小无关。
②内阻(r):电源内部的电阻。
I=U/R
其中,I:导体电流强度(A),U:导体两端电压(V),R:导体阻值(Ω)
可以得出:通过导体的电流强度,跟导体两端的电压成正比,跟导体的电阻成反比;
注意:
a、公式中的I、U、R三个量必须是属于同一段电路的具有瞬时对应关系。
b、适用范围:适用于金属导体和电解质的溶液,不适用于气体。在电动机中,导电的物质虽然也是金属,但由于电动机转动时产生了电磁感应现象,这时通过电动机的电流,也不能简单地由加在电动机两端的电压和电动机电枢的电阻来决定。
导体的伏安特性曲线
①伏安特性曲线:用纵坐标表示电流I,横坐标表示电压U,这样画出的I-U图象叫做导体的伏安特性曲线。
线性元件:伏安特性曲线是通过原点的直线的电学元件。
非线性元件:伏安特性曲线是曲线,即电流与电压不成正比的电学元件
R=ρL/S
其中,ρ:电阻率(Ω·m),L:导体的长度(m),S:导体横截面积(m2)
I =E /(r+R) 或 E=Ir + IR ,也可以是E =U内 + U外
其中,I:电路中的总电流(A),E:电源电动势(V),R:外电路电阻(Ω),r:电源内阻(Ω)
6、电功电功率
W=UIt,P=UI
其中,W:电功(J),U:电压(V),I:电流(A),t:时间(s),P:电功率(W)
电流做功的实质是电场力对电荷做功,电场力对电荷做功电荷的电势能减少,电势能转化为其他形式的能,因此上式W=UIt是计算电功普遍适用的公式。
单位时间内电流做的功叫电功率,上式P=UI是计算电功率普遍适用的公式。
Q=I2Rt
其中,Q:电热(J),I:通过导体的电流(A),R:导体的电阻值(Ω),t:通电时间(s)
电流通过电阻时产生的热叫电热,上式是普遍适用的电热的计算公式。
8、在纯电阻电路中:
由于I=U/R,W=Q,因此W=Q=UIt=I2Rt=U2t/R
注意电热和电功的区别:
a:纯电阻用电器:电流通过用电器以发热为目的,例如电炉、电熨斗、白炽灯等;
b:非纯电阻用电器:电流通过用电器以转化为热能以外的形式的能为目的,发热是不可避免的热能损失,例如电动机、电解槽、给蓄电池充电等。
在纯电阻电路中,电能全部转化为热能,电功等于电热,即W=UIt是通用的。
非纯电阻电路中,电路消耗的电能,即W=UIt分为两部分:
一大部分转化为热能以外的其他形式的能(例如电流通过电动机,电动机转动将电能转化为机械能);另一小部分不可避免地转化为电热Q=I2Rt。这里W=UIt不再等于Q=I2Rt,而是W>Q,应该是W=E其他+Q,电功只能用W=UIt,电热只能用Q=IRt计算。
9、电源总动率、电源输出功率、电源效率
P总=IE,P出=IU,η=P出/P总
其中,I:电路总电流(A),E:电源电动势(V),U:路端电压(V),η:电源效率
10、电路的串/并联特性
串联电路的基本特点:电路中各处的电流都相等;电路两端的总电压等于电路各部分电压之和。
并联电路的基本特点:各并联支路的电压相等,且等于并联支路的总电压;并联电路的总电流等于各支路的电流之和。
串联电路:P、U与R成正比;并联电路:P、I与R成反比。
电阻关系 :R串=R1+R2+R3+…… ;
1/R并=1/R1+1/R2+1/R3+……;
电流关系: I串总=I1=I2=I3;
I 并总=I1+I2+I3;
电压关系 :U串总=U1+U2+U3;
U并总=U1=U2=U3;
电压分配:U1/R1=U2/R2;U1/R1=U/R
功率分配: P总=P1+P2+P3(串联);
P总=P1+P2+P3(并联);
n个相同电池(E、r)串联:En=nEr=nr
n个相同电池(E、r)并联:En=Er=r/n
微观解释
如图1所示,AD表示粗细均匀的一段导体,长为L,两端加一定的电压,导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率v,设导体的横截面积为s,导体每单位体积内的自由电荷数n,每个自由电荷的电荷量为q。
AD导体中的自由电荷总数:N=nLs,
总电荷Q=Nq=nLSq,
所有这些电荷都通过横截面D所需的时间:t=L/V
计算导体AD中的电流∵I=Q/t、t=L/V;∴I=nqsv。
由此可见,从微观上看,电流与导体中单位体积内的自由电荷数、每个自由电荷量、电荷定向移动的速率、导体的横截面积有关。
参考资料
最新修订时间:2024-01-27 04:33
目录
概述
概念
恒定电场
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