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§10-1 电流 电流密度 §10-2 电源 电动势 §10-3 欧姆定律及其微分形式 §10-4 焦耳－楞次定律 College Physics * * * 第10章 恒定电流 电流恒定条件 欧姆定律的微分形式 电路中能量转换及电流的热效应 经典金属电子论 主要内容： 作业：5, 9, 13, 14 一、电流 电荷的定向运动形成电流。电流分为传导电流和运流电流。 1. 电流 导体内自由电子在电场力作用下在原来不规则的热运动上附加了定向漂移运动。 2. 电流的微观机制 热运动速度：105 m.s-1 定向漂移运动速度：10?4 m.s-1 正电荷的定向运动方向，即沿电场方向。 3. 电流方向 思考题： 定向运动速度很小，为何回路接通电源同时就有电流？ 产生电流的两个条件？ 二、电流强度 电流密度 1. 电流强度 2. 电流密度矢量 4. 电流线 曲线方向：该点电流密度方向； 曲线密度：与该点电流密度的大小成正比。 3. 电流强度和电流密度矢量关系 说明：电流强度是通过某面积的电流密度的通量。 三、 电流的连续性方程 左侧：单位时间内由S 面流出的电量； 右侧：单位时间内S 面的电量减少量。 , S面内电荷积累起来了， 此时 , 多余的电流线终止于正电荷 积累的地方。 1. 电流的连续性方程 恒定电流的电流线不可能在任何地方中断，它们永远是闭合曲线。 2. 电流的恒定条件 基尔霍夫第一方程： I1 I3 I2 对电荷的作用一样，高斯定理和环路定理仍然成立。 3. 恒定电场 恒定电流 电荷分布不变 电场不变 恒定电场 类似静电场 恒定电场与静电场相同点： 恒定电场与静电场不同点： 静 电 场：电荷固定不动、导体内E = 0，维持电场不需要能量转换； 恒定电场：电荷动态平衡，导体内E ? 0，恒定电场的存在总需要外界输入能量。 一、电源 不同类型电源中，非静电力不同： I R ? A B 电源是不断地将其它形式的能量转换为电能的装置。电源中非静电力的存在是形成恒定电流的根本原因。 发电机：电池作用将机械能转化为电能； 化学电池：化学作用将化学能转化为电能； 温差电源：扩散作用将热能转化为电能； 太阳能电池：直接将光能转化为电能。 二、电源的电动势 衡量电源转换能量的能力大小的物理量, 反映了电源中非静电力做功的本领。 非静电力 电源的电动势与端电压的区别: 电动势：非静电力做功，仅取决于电源本身的性质，与外电路性质及是否接通无关； 端电压：从正极到负极时静电力所做的功，与外电路的情况有关。 电子在导体中运动时要与晶格碰撞，碰撞时电子的定向运动被破坏，破坏后的定向运动又从头开始。所以，碰撞是阻止电子定向运动速度增加的原因，宏观上反映出来就是导体有电阻。 一、欧姆定律 这种形式的欧姆定律应用很有限。 1. 欧姆定律 2. 电阻的微观解释 二、欧姆定律的微分形式 将欧姆定律应用于微圆柱体，有 得 上式适用于恒定及非恒定情况，是实验定律的总结。描述了导体中电场和电流分布之间细节关系。 注意：此处的dS是垂直电流方向的截面面积。 三、闭合电路的欧姆定律 上式表明：沿任一闭合回路中电动势的代数和等于回路中电阻上电势降落的代数和。 闭合电路的欧姆定律 基尔霍夫第二定律 上式仅适用于单一闭合电路。 注意：电动势和电压降的方向。 一、焦耳－楞次定律 在一段纯电阻电路中，电功等于电热。但在非纯电阻电路中（如含有电动机等输出设备）电功和电热两者不相等。 电功： 电热： 焦耳热的微观机制： 自由电子与正离子碰撞时将在电场力作用下增加的动能传给了正离子，使正离子无规振动的能量增大，这在宏观上表现为导体温度升高。 二、焦耳－楞次定律的微分形式 表明：在导体中某点的热功率密度与该点的电场强度的平方成正比，也与导体的电导率成正比。 热功率密度 三、经典金属电子论 金属具有晶格点阵结构； 电场力作用下电子的无规热运动附加了定向运动； 大量电子不断地与晶格碰撞。 自由电子的定向运动是一段一段加速运动的衔接，各段加速运动都从定向速度为0开始。 思考题： 定向运动速度很小, 为何回路接通电源同时就有电流？ 产生电流的两个条件？ 电流、电阻和焦耳热形成的微观机制？ 恒定电场与静电场异同点？ 电源的电动势与端电压的区别？ 研究导体内的电荷作定向运动时所产生的电现象和遵循的基本规律。学会用经典金属电子论解释电流、电阻和焦耳热的微观机制。 电流强度：单位时间内通过导体任意横截面的电量。单位：1A＝1C.s-1，方向：正电荷在导线内定向漂移的方向。 电流强度没有给出空间某一点自由电荷运动特征。 电流密度矢量：大小：通过垂直于正电荷