引入
为什么一合闸,整条电路的灯几乎同时亮起,而电子本身移动得很慢?
电流的方向为什么和电子运动方向相反?
电源到底是“提供电流”还是“提供电压”?
电流是最容易被直觉误导的概念。电子漂移速度只有毫米每秒量级,但电场以光速建立,所以整个电路几乎同时响应。
正文
定义
电流是电荷的定向移动。电流强度为单位时间内通过导体横截面的电荷量: 单位安培()。
电流方向
规定正电荷定向移动的方向为电流方向。
金属导体中实际移动的是自由电子(带负电),所以电子漂移方向与电流方向相反。
这个规定是历史遗留,但在所有电路公式中都一致使用,不需要改。
恒定电流
定义
大小和方向都不随时间改变的电流,称为恒定电流(直流)。
恒定电流要求电荷分布不随时间变化,因此电路中不能有电荷的持续堆积。
三种速率
| 速率 | 数量级 | 特点 |
|---|---|---|
| 自由电子定向移动速率 | 形成电流,很慢 | |
| 自由电子热运动速率 | 无规则,不形成电流 | |
| 电场传播速率 | 等于光速 | 建立电场,几乎瞬时 |
原笔记把热运动速率写成 ,应为 。
为什么灯几乎立刻亮:合闸瞬间,电场以光速在整个电路建立,各处电子几乎同时开始定向移动。不是电子从开关跑到了灯泡。
电流的微观表达式
其中 是载流子数密度, 是每个载流子的电荷量, 是导体横截面积, 是漂移速度。
这个式子说明:电流大小取决于载流子密度、电荷量、截面积和漂移速度。
电源
定义
电源是把其他形式的能转化为电能、维持电路两端电压的装置。
电源的作用不是“产生电子”,而是搬运电荷:在电源内部把正电荷从负极搬到正极(或把电子从正极搬到负极),维持两极间的电势差。
| 概念 | 含义 |
|---|---|
| 电动势 | 电源把其他能转化为电能的本领,单位伏特 |
| 内阻 | 电源内部的电阻 |
| 路端电压 | 电源两端的实际电压 |
闭合电路欧姆定律:
路端电压:
电流越大,内阻压降越大,路端电压越低。这就是大功率电器启动时灯会变暗的原因。
电流的测量
| 方法 | 连接方式 | 注意 |
|---|---|---|
| 电流表 | 串联 | 内阻应很小 |
| 电压表 | 并联 | 内阻应很大 |
电流表内阻大,会改变电路电流;电压表内阻小,会分流。理想仪表是极限情况。
引出
电阻如何影响电流?见导体的电阻。
为什么串联电路电流处处相等?
电动势与路端电压有什么区别?