恆定電流

恆定電流

電流定義為電荷的定向運動;其形成條件為導體兩端有電壓。 1、導體提供大量的自由電荷。金屬導體中的自由電荷是自由電子,電解液中的自由電荷是正、負離子。 2、導體兩端加電壓就在導體中建立了電場。 直流定義為方向不隨時間而改變的電流,恆定電流定義為方向和大小都不隨時間改變的電流,因此恆定電流屬於直流電。

基本信息

概念

1、電源的作用:提供持續的電壓。

2、形成電流的條件:

(1)存在自由電荷

(2)導體兩端存在電壓

3、恆定電流的概念:大小、方向都不隨時間變化的電流。

4、電流有方向,但它是標量;規定:正電荷定向移動的方向是電流的方向。

註:在電源外部,電流從電源的正極流向負極;在電源的內部,電流從負極流向正極。

恆定電場

恆定電場產生恆定電流,同時,也產生恆定磁場,但恆定電場與恆定磁場的場量是相互獨立 的。

由於恆定電場的作用,導體中的自由電荷定向運動的速率增加;而運動過程中會與導體內部不動的粒子碰撞從而減速,因此自由電荷的平均速率不隨時間變化。

基本特性

1、電流強度:

定義式:I=q/t

其中,I:電流強度(A),q:在時間t內通過導體橫截面的電量(C),t:時間(s)

金屬導體中電流的計算式:I=nqSv

其中,n:自由電子數目,q:每個自由電子的電荷量(C),S:導體的橫截面積(m2),v:自由電子在導線內定向移動的速率(m/s) 。

2、 電動勢

E=W/q

其中,E:電動勢(V),W:非靜電力所做的功(J),q:電荷量(C)

電源的參數:

①電動勢:它取決於電池的正負極材料及電解液的化學性質,與電池的大小無關。

②內阻(r):電源內部的電阻。

3、 歐姆定律

I=U/R

其中,I:導體電流強度(A),U:導體兩端電壓(V),R:導體阻值(Ω )

可以得出:通過導體的電流強度,跟導體兩端的電壓成正比,跟導體的電阻成反比;

注意:
a、公式中的I、U、R三個量必須是屬於同一段電路的具有瞬時對應關係。
b、適用範圍:適用於金屬導體和電解質的溶液,不適用於氣體。在電動機中,導電的物質雖然也是金屬,但由於電動機轉動時產生了電磁感應現象,這時通過電動機的電流,也不能簡單地由加在電動機兩端的電壓和電動機電樞的電阻來決定。

導體的伏安特性曲線:

①伏安特性曲線:用縱坐標表示電流I,橫坐標表示電壓U,這樣畫出的I-U圖象叫做導體的伏安特性曲線。

②線性元件和非線性元件

線性元件:伏安特性曲線是通過原點的直線的電學元件。

非線性元件:伏安特性曲線是曲線,即電流與電壓不成正比的電學元件

4、 電阻定律

R=ρL/S

其中,ρ:電阻率(Ω·m),L:導體的長度(m),S:導體橫截面積(m )

5、 閉合電路歐姆定律

I =E /(r+R) 或 E=Ir + IR ,也可以是E =U + U

其中,I:電路中的總電流(A),E:電源電動勢(V),R:外電路電阻(Ω),r:電源內阻(Ω)

6、 電功 電功率

W=UIt,P=UI

其中,W:電功(J),U:電壓(V),I:電流(A),t:時間(s),P:電功率(W)

電流做功的實質是電場力對電荷做功,電場力對電荷做功電荷的電勢能減少,電勢能轉化為其他形式的能,因此上式W=UIt是計算電功普遍適用的公式。

單位時間內電流做的功叫電功率,上式P=UI是計算電功率普遍適用的公式。

7、 焦耳定律

Q=I Rt

其中,Q:電熱(J),I:通過導體的電流(A),R:導體的電阻值(Ω),t:通電時間(s)

電流通過電阻時產生的熱叫電熱,上式是普遍適用的電熱的計算公式。

8、在 純電阻電路

由於I=U/R,W=Q,因此W=Q=UIt=I Rt=U t/R

注意電熱和電功的區別:
a:純電阻用電器:電流通過用電器以發熱為目的,例如電爐、電熨斗、白熾燈等;

b:非純電阻用電器:電流通過用電器以轉化為熱能以外的形式的能為目的,發熱是不可避免的熱能損失,例如電動機、電解槽、給蓄電池充電等。
在純電阻電路中,電能全部轉化為熱能,電功等於電熱,即W=UIt是通用的。

在非純電阻電路中,電路消耗的電能,即W=UIt分為兩部分:

一大部分轉化為熱能以外的其他形式的能(例如電流通過電動機,電動機轉動將電能轉化為機械能);另一小部分不可避免地轉化為電熱Q=I Rt。這裡W=UIt不再等於Q=I Rt,而是W>Q,應該是W=E+Q,電功只能用W=UIt,電熱只能用Q=IRt計算。

9、電源總動率、電源輸出功率、 電源效率

P=IE,P=IU,η=P/P

其中,I:電路總電流(A),E:電源電動勢(V),U:路端電壓(V),η:電源效率

10、電路的串/並聯特性

串聯電路的基本特點:電路中各處的電流都相等;電路兩端的總電壓等於電路各部分電壓之和 。

並聯電路的基本特點:各並聯支路的電壓相等,且等於並聯支路的總電壓;並聯電路的總電流等於各支路的電流之和。

串聯電路:P、U與R成正比;並聯電路:P、I與R成反比 。

電阻關係 :R=R+R+R+…… ;

1/R=1/R+1/R+1/R+……;

電流關係: I=I=I=I

I =I+I+I

電壓關係 :U=U+U+U

U=U=U=U

電壓分配:U/R=U/RU/R=U/R

功率分配: P=P+P+P(串聯);

P=P+P+P(並聯);

n個相同電池(E、r)串聯:E=nEr=nr

n個相同電池(E、r)並聯:E=Er=r/n

微觀解釋

如圖所示,AD表示粗細均勻的一段導體,長為L,兩端加一定的電壓,導體中的自由電荷沿導體定向移動的速率v,設導體的橫截面積為s,導體每單位體積內的自由電荷數n,每個自由電荷的電荷量為q 。

AD導體中的自由電荷總數:N=nLs,

總電荷Q=Nq=nLSq,

恆定電流 恆定電流

所有這些電荷都通過橫截面D所需的時間:t=L/V

計算導體AD中的電流∵I=Q/t、t=L/V;∴I=nqsv。

由此可見,從微觀上看,電流與導體中單位體積內的自由電荷數、每個自由電荷量、電荷定向移動的速率、導體的橫截面積有關 。

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