[科普中国]-恒定电流

恒定电流概念/电源与电流

1、电源的作用：提供持续的电压。

2、形成电流的条件：

（1）存在自由电荷

（2）导体两端存在电压

3、恒定电流的概念：大小、方向都不随时间变化的电流。

4、电流有方向，但它是标量；规定：正电荷定向移动的方向是电流的方向。

注：在电源外部，电流从电源的正极流向负极；在电源的内部，电流从负极流向正极。

恒定电场与恒定磁场恒定电流由恒定电场产生，同时，也产生恒定磁场，但恒定电场与恒定磁场的场量是相互独立1的。

由于恒定电场的作用，导体中的自由电荷定向运动的速率增加；而运动过程中会与导体内部不动的粒子碰撞从而减速，因此自由电荷的平均速率不随时间变化。

恒定电流的基本特性1、电流强度：

定义式：I=q/t

其中，I：电流强度（A），q：在时间t内通过导体横截面的电量（C），t：时间（s）

金属导体中电流的计算式：I=nqSv

其中，n：自由电子数目，q：每个自由电子的电荷量（C），S：导体的横截面积（m2），v：自由电子在导线内定向移动的速率（m/s)1。

**2、**电动势：

E=W/q

其中，E：电动势(V)，W：非静电力所做的功（J），q：电荷量（C）

电源的参数：

①电动势：它取决于电池的正负极材料及电解液的化学性质，与电池的大小无关。

②内阻（r）:电源内部的电阻。

**3、**欧姆定律：

I=U/R

其中，I：导体电流强度（A），U：导体两端电压(V），R：导体阻值（Ω2）

可以得出：通过导体的电流强度，跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比；

注意：
a、公式中的I、U、R三个量必须是属于同一段电路的具有瞬时对应关系。
b、适用范围：适用于金属导体和电解质的溶液，不适用于气体。在电动机中，导电的物质虽然也是金属，但由于电动机转动时产生了电磁感应现象，这时通过电动机的电流，也不能简单地由加在电动机两端的电压和电动机电枢的电阻来决定。

导体的伏安特性曲线：

①伏安特性曲线：用纵坐标表示电流I，横坐标表示电压U，这样画出的I-U图象叫做导体的伏安特性曲线。

②线性元件和非线性元件

线性元件：伏安特性曲线是通过原点的直线的电学元件。

非线性元件：伏安特性曲线是曲线，即电流与电压不成正比的电学元件

**4、**电阻定律：

R=ρL/S

其中，ρ：电阻率（Ω·m），L：导体的长度（m），S：导体横截面积(m2）2

**5、**闭合电路欧姆定律：

I =E /(r+R) 或 E=Ir + IR ，也可以是E =U内 + U外

其中，I：电路中的总电流（A），E：电源电动势(V），R:外电路电阻（Ω），r：电源内阻（Ω）

6、电功与****电功率：

W=UIt，P=UI

其中，W：电功（J），U：电压（V），I：电流（A），t：时间（s)，P：电功率（W)

电流做功的实质是电场力对电荷做功，电场力对电荷做功电荷的电势能减少，电势能转化为其他形式的能，因此上式W=UIt是计算电功普遍适用的公式。

单位时间内电流做的功叫电功率，上式P=UI是计算电功率普遍适用的公式。

**7、**焦耳定律：

Q=I2Rt

其中，Q：电热（J），I：通过导体的电流（A），R：导体的电阻值（Ω），t：通电时间（s)

电流通过电阻时产生的热叫电热，上式是普遍适用的电热的计算公式。

8、在纯电阻电路中：

由于I=U/R，W=Q，因此W=Q=UIt=I2Rt=U2t/R

注意电热和电功的区别：
a：纯电阻用电器：电流通过用电器以发热为目的，例如电炉、电熨斗、白炽灯等；

b：非纯电阻用电器：电流通过用电器以转化为热能以外的形式的能为目的，发热是不可避免的热能损失，例如电动机、电解槽、给蓄电池充电等。
在纯电阻电路中，电能全部转化为热能，电功等于电热，即W=UIt是通用的。

在非纯电阻电路中，电路消耗的电能，即W=UIt分为两部分：

一大部分转化为热能以外的其他形式的能（例如电流通过电动机，电动机转动将电能转化为机械能）；另一小部分不可避免地转化为电热Q=I2Rt。这里W=UIt不再等于Q=I2Rt，而是W>Q，应该是W=E其他+Q，电功只能用W=UIt，电热只能用Q=IRt计算。

**9、电源总动率、电源输出功率、**电源效率：

P总=IE，P出=IU，η=P出/P总

其中，I：电路总电流（A），E：电源电动势（V），U:路端电压(V），η：电源效率

10、电路的串/并联特性

串联电路的基本特点：电路中各处的电流都相等；电路两端的总电压等于电路各部分电压之和2。

并联电路的基本特点：各并联支路的电压相等，且等于并联支路的总电压；并联电路的总电流等于各支路的电流之和。

串联电路：P、U与R成正比；并联电路：P、I与R成反比2。

电阻关系 ：R串=R1+R2+R3+…… ；

1/R并=1/R1+1/R2+1/R3+……；

电流关系： I串总=I1=I2=I3；

I 并总=I1+I2+I3；

电压关系 ：U串总=U1+U2+U3；

U并总=U1=U2=U3；

电压分配：U1/R1=U2/R2；U1/R1=U/R

功率分配： P总=P1+P2+P3（串联）；

P总=P1+P2+P3（并联）；

n个相同电池（E、r）串联：En=nEr=nr

n个相同电池（E、r）并联：En=Er=r/n

微观解释如图所示，AD表示粗细均匀的一段导体，长为L，两端加一定的电压，导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率v，设导体的横截面积为s，导体每单位体积内的自由电荷数n，每个自由电荷的电荷量为q3。

AD导体中的自由电荷总数：N=nLs，

总电荷Q=Nq=nLSq，

所有这些电荷都通过横截面D所需的时间：t=L/V

计算导体AD中的电流∵I=Q/t、t=L/V；∴I=nqsv。

由此可见，从微观上看，电流与导体中单位体积内的自由电荷数、每个自由电荷量、电荷定向移动的速率、导体的横截面积有关1。