电流和电源
回顾：
电流是怎样形成的？
电流是由电荷的定向移动而形成的。
要形成电流，必须满足什么条件？

既然电流是由电荷的定向移动而形成的，所以，要形成电流，首先必须要有能够自由移动的电荷——自由电荷。
不过，有了自由电荷，并不一定就能形成电流！
一般的导体内都有大量的自由电荷（自由电子），但当导体两端没有加上电压时，自由电子只能在各自的平衡位置附近做杂乱无章的热运动，从宏观上看，电荷的热运动，不能形成电流．
一旦在导体两端加上一个电压，导体内部就会形成一个电场，导体内部的自由电子将会受到一个与场强方向相反的电场力作用而发生定向移动，从而形成电流。可见，要形成电流，导体两端还必须有电势差。
讨论：
如图所示，A、B为两个带等量异种电荷的金属球，若用导线将两个球连接起来，导线两端是否有电压？导线中是否有电流流过？
_
有！导线与AB连接后，导线中的电场方向由A-B，导线中的自由电子所受电场力的方向与场强方向相反，自由电子在电场力作用下将由B向A移动，从而形成电流，但是，随着自由电子由B向A移动，A吸收自由电子，电势降低，B失去电子电势升高，最终，AB的电势达到相等，A、导线、B将成为一个等势体，内部场强处处为0，电子因不再受电场力作用而停止定向移动，电流消失。故这种情况下，导线中只有瞬时电流流过！
_
等势体
讨论：
怎样才能使上述导线中有持续的，恒定不变的电流流过？
水流
1. 能把电子从A搬运到B的装置。
2.作用:保持导体两端的电势差(电压)，使电路有持续的电流。
正极
负极
电源相当于抽水机
装置P能够把自由电子从A搬运到B，它就是我们通常所讲的电源。可见，电源在闭合电路中的作用就是：不断地把从电源负极经过外电路流到电源正极的自由电子及时通过电源内部搬运回电源负极，从而使导线两端或使电源两极间维持稳定不变的电压，使电路中有持续的，稳定不变的电流流过。
这个装置就是电源。A、B就是电源的两个极。
在有电源的电路中,导线内部的电场又有何特点?
讨论:
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。尽管这些电荷也在运动，但有的流走了，另外的又来补充，所以电荷的分布是稳定的，电场的分布也不随时间的变化而变化——这种由稳定分布的电荷产生的稳定不变的电场称为恒定电场.
假设在电源正、负极之间连一根导线
导线内很快形成沿导线方向恒定电场
E0

假设在电源正、负极之间连一根导线
A
导线内很快形成沿导线方向恒定电场
恒定电场的电场强度不变
导体中的自由电子在恒定不变的电场力作用下本应该做匀加速运动，速度本应该不断增加，但自由电子在运动过程中会与导体中静止不动的粒子碰撞而减速，故自由电子定向移动的速率会保持不变。
如果在电路中串连一个电流表,电流表读数不会变
电路中电流的大小和方向不变
这种大小和方向不随时间变化的电流，叫做恒定电流，这一章我们研究的就是恒定电流
不同的恒定电流，电流的强弱会不同，即在相同的时间内，通过导体某一横侧面积的电荷量不同，在相同的时间内，通过导体某一横侧面积的电荷量越多，我们就说电流越强，故在物理学中，电流的强弱可以用通过导体某一横侧面积的电量和通过这一电量所用时间的比值来表示，这个比值我们称之为电流强度。
五、电流强度
（1）定义：通过导体某一横截面积的电荷量q跟通过这些电荷量所用的时间t的比值叫~

（2）定义式： I = q / t

（3）单位：是物理学中七个基本单位之一， 在国际单位制中，电流的单位是安培，符号是A． 常用单位有毫安（mA）、微安（  A）．
　　　
1A＝103mA＝106A
（4）电流是标量．它的运算不遵循平行四边形定则，但习惯上规定电流的方向与正电荷定向移动的方向相同，在金属导体中，电流方向与自由电荷（电子）的定向移动方向相反；在电解液中，电流方向与正离子定向移动方向相同，与负离子定向移动方向相反．在外电路中电流方向由电源正极到负极，在电源内部电流方向由电源负极到正极。
（5）物理意义：表示电流强弱和方向的物理量。
六、对I = q / t的理解要注意：
①I = q / t为电流强度的定义式，对任何情况都适用。
②电流强度由电路状态所决定，与q、t均无关！
例1、在金属导体中，若10s内通过某一横截面的电量为10C，问导体中的电流为多大？


解：根据电流的定义式得到通过导体的电流为1A．
例2：如图所示，在cuso4溶液中，正负离子定向移动，测得2s内有1X1019个cu2+与1X1019个so42-通过溶液内部的横载面M,问：溶液中的电流方向向哪里？电流强度为多大？
方向由A到B,电流强度为3.2A。
A
B
M
例3：氢原子的核外只有一个电子，设电子在离原子核距离为R的圆轨道上做匀速圆周运动。已知电子的电荷量为e，运动速率为v，求电子绕核运动而形成的等效电流多大？
例4 、一段粗细均匀的导体长为l,两端加一定的电压，自由电荷定向移动的速率为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为n，每个自由电荷量为q。
设想在导体中取两个横截面B和C，则在时间t内处于相距为 vt 的两截面B、C间的所有自由电荷将通过截面C．
B
C
S
v
vt
q
q
q
q
导体中的电流与导体中单位体积内的自由电荷数、每个自由电荷的电量、导体的横截面积和自由电荷定向运动速率四个
量成正比。
三、电流强度的计算方法：
①只有一种电荷定向移动而形成电流时。用I=q/t计算。
②有正负电荷沿相反方向定向移动而形成电流时，用I=(|q+|+|q-|)/t计算。
③当有粒子流定向移动而形成电流时，从微观入手，用I=nqsv来计算（n 为电荷体密度，S 为导体横截面积，v为电荷定向移动速率）
④已知导体的电阻及加在导体两端的电压时，流过导体的电流用欧姆定律I=U/R来计算。
总结:
例5: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=8.9×103kg/m3,铜的摩尔质量M=6.4×10-2kg/mol,阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol-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.（可认为铜导线中平均每个铜原子贡献一个自由电子.）
s
讨论:
电子的定向运动速率，一般数量级为10-5m/s。 如果认为电子的定向运动速率就是电流的传导速率，这和我们的生活经验是否相符？怎样解释？
电子热运动速率：
任何微观粒子都做无规则运动，其速率与
温度有关，通常情况电子热运动的平均速率为105m/s
电子定向移动速率:
其大小与电流有关，一般数量级为10-5m/s
（对每个电子而言）
电流传导速率：
等于光速3×10 8 m/s.电路一接通，导体中的电子立即受到电场力作用而定向移动形成电流
（对整体而言）
注意几个速度问题
你知道吗？
1.导体中电流是0.5A，求半分钟内通过导体横截面的电子数？（保留1位有效数字）
2、有一横载面积为S的铜导线，单位体积内的自由电子数目为n，电子电量为e，定向移动速率为V，则在t时间内，通过导线某一横载面的自由电子数目为多少？
巩固训练
n=1x1020个
N=nSVt
3、关于电流的方向，下列叙述中正确的是
A．金属导体中电流的方向就是自由电子定向移动的方向
B．在电解质溶液中有自由的正离子和负离子，电流方向不能确定
C．不论何种导体，电流的方向规定为正电荷定向移动的方向
D．电流的方向有时与正电荷定向移动的方向相同，有时与负电荷定向移动的方向相同
C
4、下列说法正确的是：（ ）
A.用导线把开关、电灯等用电器连接起来就组
成了一个完整的电路。
B.电源是使电路中有持续电流的装置。
C.干电池、蓄电池、发电机、电动机都是电源。
D.手电筒照明时，电流方向是由电池的负极经灯
泡到正极的。
A组能力训练题3
3、一电子沿一圆周顺时针方向高速运动，周期为10-10s，则等效电流大小为 A，电流方向是 （填“顺时针”或“逆时针” ）
1.6×10 - 9
逆时针
A组能力训练题4
4．关于电源的作用,下列说法正确的是 ( )
A.电源的作用是能为电路提供自由电子
B.电源的作用是使导体中形成电场
C.电源的作用是能够保持导体两端的电压
D.电源的作用是使自由电荷定向移动起来
BCD
A组能力训练题6
6．关于电流的方向,下列说法正确的是 （ ）
A．在金属导体中，电流的方向是自由电子定向移动的方向
B．在电解液中，电流的方向为负离子定向移动的方向
C．无论在何种导体中，电流的方向都与负电荷定向移动的方向相反
D．在电解液中，由于是正负电荷定向移动形成的电流，所以电流有两个方向
C
A组能力训练题7
7．关于电流的说法正确的是 （ ）
A．根据I=q/t可知，I与q成正比
B．如果在任何相等时间内通过导体横截面积的电量相等，则导体中的电流是恒定电流
C．电流强度的方向规定为正电荷定向移动的方向
D．电流强度的单位“安培”是国际单位制中的基本单位
BD
m、kg、s、A、mol、T、cd
A组能力训练题8
8．以下对导体中的电场理解正确的是（ ）
A．导体内的电场在稳定时是和导线平行的
B．导体内的电场由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成
C．导线中电场始终随时间而变化
D．导体内的电场是一种动态的稳定
ABD
A组能力训练题9
9．通过一根金属导线的电流为16mA．则10s内通过这根导线横截面的自由电子数为（ ）
A．1.0×1017
B．1.0×1018
C．1.0×1019
D．1.0×1020
解：
n=It/e=16×10-3×10/1.6×10-19=1.0×1018
B
A组能力训练题10
10．在一次闪电中，持续时间为0.005 s所形成的平均电流为6.0×104A，若闪电过程中产生的电荷以0.5A的电流通过电灯，试求可供电灯照明的时间。
解：
Q=I1t1=I2t2 ，
t2= I1t1/I2=600s
B组能力训练题1
1．有一横截面积为S的铜导线，流经其中的电流强度为I；设每单位体积的导线中有n个自由电子，电子的电量为e，此电子的定向移动速率为v，在Δt时间内，通过导线横截面的自由电子数可表示为 （ ）
A．nvS Δt B．nv·Δt C．IΔt /e D． IΔt /eS
AC
N=q/e= IΔt /e，
又因为电流强度的微观表达式为I=nev·S，
N=q/e= IΔt /e =nevSΔt/e=nvSΔt
则选项A正确。
解：因为I=q/Δt，所以q=I·Δt
则选项C正确。
所以自由电子数目为
自由电子数目为：
B组能力训练题2
2．金属导体的密度是ρ，横截面积是S，原子量是M，每摩尔这种金属可提供N个自由电子，当该导体中的电流为 I 时，导体中自由电子的定向移动的速率是 。
答：
B组能力训练题3
3. 若氢原子的核外电子绕核作半径为r 的匀速圆周运动，则其角速度ω=__________；电子绕核的运动可等效为环形电流，则电子运动的等效电流I=__________。（已知电子的质量为m，电量为e，静电力恒量用k表示）
电子绕核运动的向心力等于库仑力
因此所求电流为
（2003年上海卷12）
解：
B组能力训练题4
4．在彩色电视机的显像管中，从电子枪射出的电子（初速度大小不计，e=1.6×10-19C）在20kV的高压下被加速，并且形成1mA的平均电流。电子束的强弱受图像信号控制，并按一定的规律在荧光屏上扫描，形成电视画面。电视机以每秒25张画面的速率进行扫描，由于图面更换迅速和视觉暂留，使我们看到了连续活动的图像，问：电子轰击荧光屏时的动能为多大？平均每幅画面约有多少个电子打在屏上?
解：
由动能定理
Q=It=ne
B组能力训练题5
5．银导线的横截面积S=4mm2，通以I=2A的电流，若每个银原子可以提供一个自由电子，试推导银导线单位长度上的自由电子数的计算公式，并计算结果。(已知银的密度ρ=10.5×103kg/m3,摩尔质量M=108g/mol，阿伏伽德罗常数NA=6.02×1023mol-1，计算结果取一位小数)
解：设长为l 的银导线体积 V＝Sl，
故长为l的银导线含有的银原子数目，
又每个银原子可以提供一个自由电子，那么银导线每单位长度的自由电子数n=N/l，
与电流I无关。
代入数据
学力学单位制有什么实际应用？
B组能力训练题6
6. 在显像管的电子枪中，从炽热的金属丝不断放出的电子进入电压为U的加速电场，设其初速度为零，经加速后形成横截面积为S、电流为I的电子束。已知电子的电量为e、质量为m，则在刚射出加速电场时，一小段长为Δl的电子束内的电子个数是（ ）
（2006年天津卷21）
B
解：在刚射出加速电场时
通过长为Δl 段的时间 Δt＝Δl / v
长为Δl 段的电量 Q=IΔt
电子个数是
选项B正确。
方法1：利用公式I=nqSv求解；2.根据I=q/t结合微元法求解。
问题1：产生电流的条件是什么？
问题2：导体中产生持续电流的条件是什么？
问题3：从物理过程和能量转化两个方面来看电源作用是什么？
问题4：当导体两端有恒定的电势差，导体内建立了何种电场?
问题5：导体中的电场是由谁产生的?是变化的还是恒定的？自由电荷在恒定电场中发生定向运动形成的电流是变化的还是恒定的？
§2.1　电源和电流
问题6：怎样理解恒定电场和恒定电流？
问题7：怎样描述电流的强弱程度？怎样学好电流这个物理量？
问题8：推导电流的微观表达式。
课堂互动讲练
如果导线中的电流为1 mA，那么1 s内通过导体横截面的自由电子数是多少？若“220 V　60 W”的白炽灯正常发光时的电流为273 mA，则20 s 内通过灯丝的横截面的电子数目是多少个？
【思路点拨】　根据公式q＝It计算，注意单位的统一，记住每个电子所带电荷量e＝1.6×10－19 C.
【答案】　6.25×1015个　3.4×1019个
【借题发挥】　(1)金属导体中导电的是自由电子，自由电子所带电荷量e＝1.6×10－19 C.
(2)当自由电子定向移动通过导体横截面时，若通过的自由电子个数为 n，则 q＝It＝ne.
变式训练1　一硫酸铜电解槽的横截面积为2 m2，在0.04 s 内若相向通过同一横截面的铜离子和硫酸根离子分别为5.625 ×1018个和4.735×1018个，则电解槽中的电流是多大？方向如何？
答案：83 A　方向与铜离子定向移动的方向相同
半径为 R 的橡胶圆环均匀带正电，总电荷量为Q，现使圆环绕垂直环所在平面且通过圆心的轴以角速率ω沿逆时针匀速转动，则由环产生的等效电流方向沿什么方向？电流多大？
【思路点拨】　不管是否真的形成电流，假想成形成电流然后依据电流的定义式求得电流大小．
【答案】　见精讲精析
变式训练2　半径为 R 的橡胶圆环均匀带正电，总电荷量为Q，现使圆环绕垂直环所在平面且通过圆心的轴以角速度ω匀速转动，则由环产生的等效电流应有(　　)
A．若ω不变而使电荷量Q变为原来的2倍，则电流也将变为原来的2倍
B．若电荷量Q不变而使ω变为原来的2倍，则电流也将变为原来的2倍
C．若使ω、Q不变，将橡胶环拉伸，使环半径增大，电流将变大
D．若使ω、Q不变，将橡胶环拉伸，使环半径增大，电流将变小
【答案】　AC
【规律总结】　在电流的微观表达式I＝nqSv中，n为导体单位体积内的自由电荷数，是由导体本身的材料决定的，与导体的长度和横截面的大小无关．
变式训练3　(2011年包集高二检测)如图2－1－2所示，将左边的铜导线与右边的铝导线连接起来，已知铝导线的横截面积是铜导线横截面积的两倍，在铜导线上取一个截面 A，在铝导线上取一个截面B，若在1秒内垂直地通过它们的电子数相等，那么，通过这两个截面的(　　)
A．电流相等
B．电流不相等
C．自由电子定向移动的速率相等
D．自由电子定向移动的速率不相等
小结：
一.电流的基本概念：
1、电流是由电荷的定向移动而形成的。
2、导体中形成电流的条件：
（1）导体存在自由电荷
（2）导体两端存在电压
3、电路中形成持续、稳定电流的条件：
（1）电路闭合
（2）电路中存在电源
二、电源在电路中的作用：
不断地把从电源负极经过外电路流到电源正极的自由电子及时通过电源内部搬运回电源负极，从而使导线两端或使电源两极间维持稳定不变的电压，使电路中有持续的，稳定不变的电流流过。或者说电源在电路中的作用：在导体内部建立一个恒定电场，使导体内部的自由电子在恒定不变的电场力作用下匀速率定向移动，从而形成恒定电流。
三、恒定电场——由稳定分布的电荷产生的稳定不变的电场
四、恒定电流——方向和强弱都不随时间变化的电流．
直流电——方向不随时间变化的电流。
交流电——方向随时间变化的电流。
本章只研究恒定电流！
作业:P43 1、2、3