电源与电流

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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.

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