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物理:2.1《电源和电流》课件(新人教版选修3-1)


2.1电源和电流

雷鸣电闪时, 雷鸣电闪时,强大的电流使天 空发出耀眼的闪光, 空发出耀眼的闪光,但它只能存在 于一瞬间, 于一瞬间,而手电筒中的小灯泡却 能持续发光,这是为什么? 能持续发光,这是为什么?

一、电源
1、电流的形成 、

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. (瞬时

电流) 定向移动形成电流

2、持续电流的形成 倘若在A,B之间连接一个装置P,作用是不断地把电子从A 倘若在A,B之间连接一个装置P,作用是不断地把电子从A搬运到 A,B之间连接一个装置P,作用是不断地把电子从 AB之间始终存在一定的电场 从而保持持续电流。 之间始终存在一定的电场, B,使AB之间始终存在一定的电场,从而保持持续电流。

装置P

电源

导体中产生电流的条件: 导体中产生电流的条件:导体两端存在电势差
+ + + + A + + ++ _ _ _ _ B _ _ _ _ -

A 等势体

B

A

抽水机 水池

导体中自由电子的定向移动 B 使两个带电体成为等势体, 使两个带电体成为等势体, 达到静电平衡,导线R 达到静电平衡,导线R中会 产生一个瞬时电流

电源
1.能把自由电子从正极搬到负极的装置. 1.能把自由电子从正极搬到负极的装置. 能把自由电子从正极搬到负极的装置 2.作用:保持导体两端的电势差(电压), 2.作用:保持导体两端的电势差(电压), 作用 使电路有持续的电流. 使电路有持续的电流.

+ ++ + A + + ++ -

_ __ _ __ B _ _ P

-

二.导线中的电场
假设在电源正、 假设在电源正、负极之 间连一根导线
F

Ft

N

Fn

M

E0

+ + + + A + + + + P

_ _ _ _ B _ _ _ _ -

二.导线中的电场 假设在电源正、 假设在电源正、负极之间 连一根导线 Ft F Fn M N ++ + + A + + ++ P _ _ _ _ B _ _ _ _ E ′ M E
0

N E0

M 导体内的电场线保持和导线平行

E 导线内很 0 N 快形成沿 导线方向 的电场 E

小结: 小结:形成电流的条件 (1)存在自由电荷 金属导体——自由电子 自由电子 金属导体 电解液——正、负离子 正 电解液 (2)导体两端存在电压 当导体两端存在电压时,导体内建立了电场, 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. 移动,形成电流. 电源的作用是保持导体两端的电压, 电源的作用是保持导体两端的电压,使导体 中有持续的电流. 中有持续的电流.

思考题
我们在上一章中曾经得出结论: 我们在上一章中曾经得出结论: 在静电平衡时, 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 为零(等势体).这与我们现在的说 法有矛盾吗?为什么? 法有矛盾吗?为什么?

导线内的电场, 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。 电荷共同形成的。尽管这些电 荷也在运动,但有的流走了, 荷也在运动,但有的流走了, 另外的又来补充, 另外的又来补充,所以电荷的 分布是稳定的,电场的分布也 分布是稳定的, 稳定。-----恒定电场 稳定。-----恒定电场

恒定电场

由稳定分布的电荷产生 稳定的电场称为恒定电场. 稳定的电场称为恒定电场.

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, 串一个电流表,读数不会变 恒定电流) (恒定电流)


电流: 电流:

恒定电流
用单位时间内通过导体横截面的电量表示电流强弱

1、 定义: 大小、方向都不随时间变化的电流 、 定义: 大小、 2、 公式: q = It 可得 、 公式:

q I= t

3、 单位:安培 A 其他单位 mA ?A 、 单位: 4 、 方向:正电荷定向移动的方向 方向: 金属导体中电流的方向与自由电子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。

说明
(1)电流为标量,电流虽有方向但是标量 )电流为标量, (2)电解液中正负离子定向移动方向虽然相反,但正、负离 )电解液中正负离子定向移动方向虽然相反,但正、 子定向移动形成的电流方向是相同的,此时 为正电荷总电荷 子定向移动形成的电流方向是相同的,此时q为正电荷总电荷 量和负电荷总电荷量的绝对值之和。 量和负电荷总电荷量的绝对值之和。

例题1 某电解池,如果在1s中内共有 中内共有5.0× 例题 :某电解池,如果在 中内共有 ×1018个二价正 个一价负电子通过某横截面, 离子和5.0× 离子和 ×1018个一价负电子通过某横截面,那么通 过这个横截面的电流强度是多大? 过这个横截面的电流强度是多大? 答案: 答案:1.6A

有一条横截面积S=1mm 的铜导线,通过的电流I=1A I=1A。 例题 2 有一条横截面积S=1mm2的铜导线,通过的电流I=1A。已 知铜的密度ρ=8.9 ρ=8.9× 铜的摩尔质量M=6.4 M=6.4× kg/mol, 知铜的密度ρ=8.9×103kg/m3,铜的摩尔质量M=6.4×10-2kg/mol, 阿伏加德罗常数N 电子的电量e= e=阿伏加德罗常数NA=6.62 × 1023mol-1,电子的电量e=-1.6 × 10-19C。求铜导线中自由电子定向移动的速率。 求铜导线中自由电子定向移动的速率。 解:设自由电子定向移动的速率是v 通过横截面的电荷量是

ρ tS v q =n = e NAe M

q 由 I= t
从中解出



ρ SNAe v I= M

IM v= ρ NAe S
v =7.5 ×10-5 m/s

代入数值后得

四、电流的微观表达式
推导: 推导:
一段粗细均匀的导体长为l,两端加一定的电压, 一段粗细均匀的导体长为 两端加一定的电压,自由电 两端加一定的电压 荷定向移动的速率为v,设导体的横截面积为 设导体的横截面积为s, 荷定向移动的速率为 设导体的横截面积为 ,导体每 单位体积内的自由电荷数为n,每个自由电荷量为q。 单位体积内的自由电荷数为 ,每个自由电荷量为 。 B A

总电量 电荷总数

ι

Q Nq nlSq = = nqSv I= = t l/v l/v

例3.有一条横截面积S=1mm2 的铜导线,通过的电 有一条横截面积S=1mm 的铜导线, 有一条横截面积 .已知铜的密度ρ=8.9× 已知铜的密度ρ=8.9 流I=1A .已知铜的密度ρ=8.9×103 kg/m3 ,铜 的摩尔质量M=6.02 M=6.02× kg/mol, 的摩尔质量M=6.02×10-2 kg/mol,阿伏加德罗 常数NA=6.62 NA=6.62× mol常数NA=6.62×10 23mol-1,电子的电量 e=e=-1.6 × 10 -19 C 。 求:铜导线中自由电子定向移动的速率

答案: IM ?5 v= = 7.5×10 m/ s ρSNAe

v

s

v

vt

思考题
如果认为电子的定向运动速率就 是电流的传导速率, 是电流的传导速率,和我们的生活 经验是否相符?怎样解释? 经验是否相符?怎样解释? 电子定向移动的速率约10 m/s, 电子定向移动的速率约10 -5 m/s, 电子热运动的平均速率10 m/s, 电子热运动的平均速率10 5 m/s, 电场的传播速率3 电场的传播速率3×10 8 m/s.

三种速度的区别
(1)电流传导速率等于光速,电路一接通,导体中的电子立即 )电流传导速率等于光速,电路一接通, 受到电场力作用而定向移动形成电流。(对整体而言) 受到电场力作用而定向移动形成电流。(对整体而言) 。(对整体而言 (2)电子定向移动速率,其大小与电流有关,一般每秒为 -2— )电子定向移动速率,其大小与电流有关,一般每秒为10 -10-3m的数量级。(对每个电子而言) 的数量级。 对每个电子而言) 的数量级 (3) 电子热运动速率,任何微观粒子都做无规则运动,其速度与 电子热运动速率,任何微观粒子都做无规则运动, 温度有关,通常情况为每秒几百米。 温度有关,通常情况为每秒几百米。

小结: 小结:
1、形成电流的条件: 、形成电流的条件: (1)存在自由电荷(2)导体两端存在电压 )存在自由电荷( ) 2、电源的作用:提供持续的电压 、电源的作用: 3、导线中的电场 导线内的电场线保持和导线平行 导线内的电场线保持和导线平行. 、导线中的电场:导线内的电场线保持和导线平行 (恒定电场 恒定电场) 恒定电场 4、恒定电流 大小方向都不随时间变化的电流 大小方向都不随时间变化的电流. 、恒定电流:大小方向都不随时间变化的电流 5、电流 表示电流的强弱程度的物理量 表示电流的强弱程度的物理量. 、电流:表示电流的强弱程度的物理量 (1)定义式 I=q / t ) (2)金属导体中电流的计算式 )

I = nqsv

n 为单位体积内自由电荷数目,S 为导体横截面积, 为单位体积内自由电荷数目, 为导体横截面积, v为电荷定向移动速率,q为每个自由电荷的电量 为电荷定向移动速率,q ,q为每个自由电荷的电量

祝同学们学习愉快! 祝同学们学习愉快! 再见! 再见!


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