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 與 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 中:
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,
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 。