2.1 导体中的电场和电流

2.1 导体中的电场和电流

教学目标：

1．让学生明确电源在直流电路中的作用，理解导线中的恒定电场的建立

2．知道恒定电流的概念和描述电流强弱程度的物理量---电流

3．从微观意义上看电流的强弱与自由电子平均速率的关系。

引言：

人类通过对静电场的研究不仅获得了许多关于电现象的知识，而且形成了若干重要的电学概念和研究方法，成为电学理论的重要基础。

但是，无论在自然界还是生产和生活领域，更广泛存在着的是电荷流动所引起的效应。那么，电荷为什么会流动？电荷流动服从什么规律，产生哪些效应？这些效应对人类的生产、生活方式和社会进步又起着怎样的作用呢？这节课学习有关电流的知识。

一、电源：

1、导体中产生电流的条件：

（1）存在自由电荷：金属导体——自由电子

电解液——正、负离子

（2）导体两端存在电势差：当导体两端存在电压时，导体内建立了电场，导体中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成电流

2、电源：就是把自由电子从正极搬迁到负极的装置。

（从能量的角度看，电源是一种能够不断地把其他形式的能量转变为电能的装置）

3、电源的作用:保持导体两端的电势差(电压),使导体中有持续的电流.

二、导线中的电场（恒定电场）：

1、恒定电场：假设在电源正、负极之间连一根导线，导线内很快形成沿导线方向的电场，导体内的电场线保持和导线平行。

导线内的电场，是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。尽管这些电荷也在运动，但有的流走了，另外的又来补充，所以电荷的分布是稳定的，电场的分布也稳定。（动态平衡）

由稳定分布的电荷产生稳定的电场称为恒定电场.

2、产生原因：导线中的电场是两部分电荷分布共同作用产生的结果：

其一是电源正、负极产生的电场，可将该电场分解为两个方向：沿导线方向的分量使自由电子沿导线作定向移动，形成电流；垂直于导线方向的分量使自由电子向导线某一侧聚集，从而使导线的两侧出现正、负净电荷分布。

其二是这些电荷分布产生附加电场，该电场将削弱电源两极产生的垂直导线方向的电场，直到使导线中该方向合场强为零，而达到动态平衡状态。此时导线内的电场线保持与导线平行，自由电子只存在定向移动。

3、性质：在恒定电场中，任何位置的电场强度都不随时间变化，基本性质与静电场相同，静电场的各种概念都适用。

思考题

我们在上一章中曾经得出结论:在静电平衡时,导体内部的场强为零,导体上任意两点之间的电势差为零(等势体).这与我们现在的说法有矛盾吗?为什么?

区分静电平衡和动态平衡。（动态平衡）

三、恒定电流（标量）

恒定电场——电场强度不变——自由电子在各个位置的定向运动速率也不变——串一个电流表,读数不会变——恒定电流

1、概念及物理意义：电荷的定向移动形成电流。

描述电流强弱程度的物理量。

2、电流的方向：规定为正电荷定向移动的方向。电流虽有方向但是标量。

3、定义：通过导体横截面的电量跟通过这些电量所用的时间的比值。 ①定义式：t

Q I ②电流的微观表示式：

取一段粗细均匀的导体，两端加一定的电压，设导体中的自由电子沿导体定向移动的速率为v 。设想在导体中取两个横截面B 和C ，横截面积为S ，导体中每单位体积中的自由电荷数为n ，每个自由电荷带的电量为q ，则t 时间内通过横截面C 的电量Q 、电流I 为：

Q=nV=nvtSq

I=Q/t=nvqS

4、单位：安培（A ），1 A =103mA = 106µA

5、电流的种类

① 直流电：方向不随时间而改变的电流。直流电分为恒定电流和脉动直流电两类：其中大小和方向都不随时间而改变的电流叫恒定电流；方向不随时间改变而大小随时间改变的电流叫脉动直流电。

② 交流电：方向和大小都随时间做周期变化的电流。

【问题】如何用图象表示直流电和交流电？

四、注意

1、注意几个速度问题（例题）

①电子定向移动速率:其大小与电流有关，一般数量级为10-5m/s 。

②电流传导速率：等于光速，电路一接通，导体中的电子立即受到电场力作用而定向移动形成电流。

③电子热运动速率：任何微观粒子都做无规则运动，其速率与温度有关，通常情况为每秒几百米。

2、适用于任何电荷的定向移动形成的电流。

3、在金属导体中，电流方向与自由电荷（电子）的定向移动方向相反；

4、在电解液中，电流方向与正离子定向移动方向相同，与负离子走向移动方向相反．导电时，是正负离子向相反方向定向移动形成电流，电量q 表示通过截面的正、负离子电量绝对值之和。