电源与电流

电源和电流

[学习目标]

1.了解电流的形成条件，知道电源的作用和导体中的恒定电场.

2.理解电流的定义，知道电流的单位、方向的确定，会用公式q＝It分析相关问题.

3.从微观的角度表示电流的大小．

一、电源

[导学探究]有A、B两个导体，分别带正、负电荷．如果在它们之间连接一条导线R，如图1所示，导线R中的自由电子便会在静电力的作用下定向运动，B失去电子，A得到电子，周围电场迅速减弱，A、B之间的电势差很快就消失．怎样使A、B导体维持一定的电势差，使导线中保持持续的电流？

图1

答案在A、B间接一电源．

[知识梳理]电流的产生、电源

(1)产生电流的条件：导体两端存在电压．

形成持续电流条件：导体两端存在持续电压．

(2)电源：

①定义：能把电子从正极搬运到负极的装置．

②作用：维持电路两端有一定的电势差；使闭合电路中保持持续的电流．

(3)恒定电场：

①恒定电场：当电路达到稳定时，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．这种由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，叫恒定电场．

②特点：任何位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化．

[即学即用](多选)关于电流，下列叙述正确的是()

A．只要将导体置于电场中，导体内就有持续电流

B．电源的作用可以使电路中有持续电流

C ．导体内没有电流时，就说明导体内部的电荷没有移动

D ．恒定电流是由恒定电场产生的 答案 BD

二、电流表达式I ＝q

t

及电流的方向

[导学探究] (1)电荷的定向移动形成电流，如何描述电流的强弱？

(2)电流可能是正电荷或负电荷定向移动形成的，也可能正、负电荷同时向相反的方向定向移动形成的，人们是如何规定电流的方向的？

答案 (1)利用单位时间内通过导体横截面的电量描述电流的强弱． (2)规定正电荷定向移动的方向为电流的方向． [知识梳理] 电流的定义及方向

(1)恒定电流：大小、方向都不随时间变化的电流．

(2)电流定义式：I ＝q

t 或q ＝It ，其中：q 表示在时间t 内通过导体横截面的电荷量．

(3)电流的方向：规定正电荷定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方向相反．

(4)电解液中正、负离子定向移动方向虽然相反，但正、负离子定向移动形成的电流方向是相同的，应用I ＝q

t 时，q 为正电荷的总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和．

[即学即用] 关于电流的说法中正确的是( ) A ．根据I ＝q

t

，可知I 与q 成正比

B ．如果在任何相等的时间内通过导体横截面的电荷量相等，则导体中的电流是恒定电流

C ．电流有方向，电流是矢量

D ．电流的单位“安培”是国际单位制中的基本单位 答案 D

解析 依据电流的决定式可知，电流与q 、t 皆无关，显然选项A 错误；虽然电流是标量，但是却有方向，因此在任何相等的时间内通过导体横截面的电荷量虽然相等，但如果方向变化，电流也不是恒定电流，所以，选项B 、C 错误． 三、电流的微观表达式

[导学探究] 如图2所示，AD 表示粗细均匀的一段长为l 的导体，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为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为n ，每个自由电荷的电荷量为q .

图2

(1)AD 导体中有多少个自由电荷？总电荷量是多少？ (2)这些电荷都通过横截面D 所需的时间是多少？ (3)导体AD 中的电流是多大？ 答案 (1)nlS nlSq (2)l

v (3)I ＝Q t ＝nlSq l

v

＝nq v S

[知识梳理] 对电流微观表达式和三种速率的理解

(1)电流的微观表达式：I ＝nq v S .式中n 为导体中单位体积内的自由电荷数、q 为每个自由电荷的电荷量、v 为自由电荷定向移动速率，S 为导体的横截面积． (2)三种速率的比较

①电子定向移动速率：电子在金属导体中的平均运动速率，也是公式I ＝neS v 的v ，大小约为10－

5m/s.

②电流的传导速率：电流在导体中的传导速率等于光速，为3×108m/s.闭合开关的瞬间，电路中各处以光速建立恒定电场，电路中各处的自由电子几乎同时定向移动，整个电路也几乎同时形成了电流．

③电子热运动速率：电子做无规则热运动的速率，大小约为105m/s.由于热运动向各个方向运动的机会相等，故此运动不能形成电流．

[即学即用] 一段粗细均匀的金属导体的横截面积是S ，导体单位长度内的自由电子数为n ，金属内的自由电子的电荷量为e ，自由电子做无规则热运动的速率为v 0，导体中通过的电流为I .则下列说法中正确的有( ) A ．自由电子定向移动的速率为v 0 B ．自由电子定向移动的速率为v ＝I neS

C ．自由电子定向移动的速率为真空中的光速c

D ．自由电子定向移动的速率为v ＝I

ne

答案 D

解析 关键是理解v 和n 的物理意义，电流微观表达式中n 为单位体积内的自由电子数，而本题中n 为单位长度内的自由电子数，t 时间内通过导体某一横截面的自由电子数为长度是v t 内的自由电子数，其数量为n v t ，电荷量q ＝n v te ，所以电流I ＝q t ＝ne v ，所以v ＝I

ne ，故正

确选项为D.

一、对电流的理解及电流定义式I ＝q

t

的应用

例1 如图3所示的电解槽中，如果在4s 内各有8C 的正、负电荷通过面积为0.8m 2的横截面AB ，那么：

图3

(1)指出正、负离子定向移动的方向； (2)电解槽中的电流方向如何？

(3)4s 内通过横截面AB 的电荷量为多少？ (4)电解槽中的电流为多大？

解析 (1)电源与电解槽中的两极相连后，左侧电极电势高于右侧电极，由于在电极之间建立电场，电场方向由左指向右，故正离子向右移动，负离子向左移动． (2)电解槽中的电流方向向右．

(3)8C 的正电荷向右通过横截面AB ，而8C 的负电荷向左通过该横截面，相当于又有8C 正电荷向右通过横截面，故本题的答案为16C. (4)由电流的定义得I ＝q t ＝16

4A ＝4A.

答案 (1)正离子向右运动，负离子向左运动 (2)向右 (3)16C (4)4A [总结提升] (1)电流的方向

与正电荷定向移动的方向相同，与负电荷定向移动的方向相反．金属导体中电流的方向与自由电子定向移动的方向相反． (2)电流的大小

①I ＝q

t 是电流的定义式，I ＝nqS v 是电流的决定式，故电流的大小与通过导体横截面的电荷量

以及通电时间无关．

②电解液中应用I ＝q

t 计算电流时，q 为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和．

(3)电流是标量：电流虽然有方向但是它遵循代数运算法则．