[理学]大学物理学-第6章 恒定电流.ppt

第6章 恒定电流Steady Current 本章要点： 1．电流 电阻 电流密度 2．部分电路的欧姆定律及全电路欧姆定律 3．电流的功和功率 焦耳定律 4．电源的电动势 前面讨论了静电现象及其规律。从本章开始将研究与电荷运动有关的一些现象和规律,本章主要讨论恒定电流. 6.1 电流 电流密度 Electric Current / Current Density 6.1.1 电流 1、电流的产生 我们知道，导体中存在着大量的自由电子，在静电平衡条件下，导体内部的场强为零，自由电子没有宏观的定向运动。若导体内的场强不为零，自由电子将会在电场力的作用下，逆着电场方向运动。我们把导体中电荷的定向运动称为电流。 2、产生电流的条件：①导体中要有可以自由运动的带电粒子(电子或离子)；②导体内电场强度不为零。若导体内部的电场不随时间变化时，驱动电荷的电场力不随时间变化，因而导体中所形成的电流将不随时间变化，这种电流称为恒定电流（或稳恒电流）。 3、电流强度 电流的强弱用电流强度来描述。设在时间内，通过任一横截面的电量是，则通过该截面的电流强度(简称电流)为 （6–1) 式（6–1)表示电流强度等于单位时间内通过导体任—截面的电量。如果I不随时间变化，这种电流称为恒定电流，又叫直流电。 如果加在导体两端的电势差随时间变化，电流强度也随时间变化，这时需用瞬时电流(时的电流强度)来表示： （6–2） 对于恒定电流，式(6–1)和式(6–2)是等价的。 在国际单位制中，电流强度的单位是安培(符号A)其大小为每秒钟内通过导体任一截面的电量为1库仑，即 。它是一个基本量。 电流强度是标量，所谓电流的方向只表示电荷在导体内移动的去向。通常规定正电荷宏观定向运动的方向为电流的方向。 6.1.2 电流密度 在粗细相同和材料均匀的导体两端加上恒定电势差后，；导体内存在恒定电场，从而形成恒定电流。电流在导体任一截面上各点的分布是相同的。如果在导体各处粗细不同，或材料不均匀(或是大块导体)，电流在导体截面上各点的分布将是不均匀的。电流在导体截面上各点的分布情况可用电流密度来描述。电流密度是矢量。 为方便起见，选定正电荷的运动来讨论。我们对电流密度的大小和方向作如下规定：导体中任一点电流密度的方向为该点正电荷的运动方向(场强的方向)，的大小等于单位时间内通过该点附近垂直于该点正电荷运动方向的单位面积上的电量，用公式表示为， （6-3) ds为在导体中某点附近取的面积元，dq为d t时间内通过ds的电量。 式(6–3)表明，电流密度的大小等于通过垂直正电荷运动方向单位面积上的电流。若以表示面积元的正法线方向，且与该点的一致。如图6–l(a)示。式(6–3)可用矢量式表示，即 (6–4) 如果面积元ds的法线方向 不和场强 同方向,如图6–1(b)所示，则有 或写成 (6–5) 通过任意面积S的电流强度应为： (6–6) 式(6–6)表明， 通过某一面积的电流强度，等于该面积上的电流密度的通量。 在国际单位制中，电流密度的单位为 ；符号 )，量纲为 。 6.2 电阻 欧姆定律 Resistance Ohm’s Law 6.2.1 电阻 电阻率 欧姆定律 在电流恒定和温度一定的条件下，通过一段导体的电流强度I和加在导体两端的电势差 成正比，即 或 (6–7) 这就是部分电路的欧姆定律，或称一段均匀电路的欧姆定律。R是比例系数，它的数值是由导体自身性质和尺寸决定的，称为导体的电阻。 。电阻R的倒数称为电导，即 在国际单位制中，电阻的单位为欧姆(符号 )，量纲为 ；电导的单位为西门子(符号S)，量纲为 。 导体电阻的大小与导体的材料、几何尺寸和温度等因素有关。对于一定材料、横截面积均匀的导体，实验证明，它的电阻R与其长度l，横截面积S的关系为