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②作用:
维持电路两端有一定的电势差;
使闭合电路中保持持续的电流.
(3)恒定电场:
①恒定电场:
当电路达到稳定时,导线中的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的.这种由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场,叫恒定电场.
②特点:
任何位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化.
[即学即用] (多选)关于电流,下列叙述正确的是( )
A.只要将导体置于电场中,导体内就有持续电流
B.电源的作用可以使电路中有持续电流
C.导体内没有电流时,就说明导体内部的电荷没有移动
D.恒定电流是由恒定电场产生的
答案 BD
二、电流表达式I=及电流的方向
[导学探究]
(1)电荷的定向移动形成电流,如何描述电流的强弱?
(2)电流可能是正电荷或负电荷定向移动形成的,也可能正、负电荷同时向相反的方向定向移动形成的,人们是如何规定电流的方向的?
答案
(1)利用单位时间内通过导体横截面的电量描述电流的强弱.
(2)规定正电荷定向移动的方向为电流的方向.
[知识梳理] 电流的定义及方向
(1)恒定电流:
大小、方向都不随时间变化的电流.
(2)电流定义式:
I=或q=It,其中:
q表示在时间t内通过导体横截面的电荷量.
(3)电流的方向:
规定正电荷定向移动的方向为电流的方向,则负电荷定向移动的方向与电流方向相反.
(4)电解液中正、负离子定向移动方向虽然相反,但正、负离子定向移动形成的电流方向是相同的,应用I=时,q为正电荷的总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和.
[即学即用] 关于电流的说法中正确的是( )
A.根据I=,可知I与q成正比
B.如果在任何相等的时间内通过导体横截面的电荷量相等,则导体中的电流是恒定电流
C.电流有方向,电流是矢量
D.电流的单位“安培”是国际单位制中的基本单位
答案 D
解析 依据电流的决定式可知,电流与q、t皆无关,显然选项A错误;
虽然电流是标量,但是却有方向,因此在任何相等的时间内通过导体横截面的电荷量虽然相等,但如果方向变化,电流也不是恒定电流,所以,选项B、C错误.
三、电流的微观表达式
[导学探究] 如图2所示,AD表示粗细均匀的一段长为l的导体,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,每个自由电荷的电荷量为q.
图2
(1)AD导体中有多少个自由电荷?
总电荷量是多少?
(2)这些电荷都通过横截面D所需的时间是多少?
(3)导体AD中的电流是多大?
答案
(1)nlS nlSq
(2)
(3)I===nqvS
[知识梳理] 对电流微观表达式和三种速率的理解
(1)电流的微观表达式:
I=nqvS.式中n为导体中单位体积内的自由电荷数、q为每个自由电荷的电荷量、v为自由电荷定向移动速率,S为导体的横截面积.
(2)三种速率的比较
①电子定向移动速率:
电子在金属导体中的平均运动速率,也是公式I=neSv的v,大小约为10-5m/s.
②电流的传导速率:
电流在导体中的传导速率等于光速,为3×
108m/s.闭合开关的瞬间,电路中各处以光速建立恒定电场,电路中各处的自由电子几乎同时定向移动,整个电路也几乎同时形成了电流.
③电子热运动速率:
电子做无规则热运动的速率,大小约为105m/s.由于热运动向各个方向运动的机会相等,故此运动不能形成电流.
[即学即用] 一段粗细均匀的金属导体的横截面积是S,导体单位长度内的自由电子数为n,金属内的自由电子的电荷量为e,自由电子做无规则热运动的速率为v0,导体中通过的电流为I.则下列说法中正确的有( )
A.自由电子定向移动的速率为v0
B.自由电子定向移动的速率为v=
C.自由电子定向移动的速率为真空中的光速c
D.自由电子定向移动的速率为v=
解析 关键是理解v和n的物理意义,电流微观表达式中n为单位体积内的自由电子数,而本题中n为单位长度内的自由电子数,t时间内通过导体某一横截面的自由电子数为长度是vt内的自由电子数,其数量为nvt,电荷量q=nvte,所以电流I==nev,所以v=,故正确选项为D.
一、对电流的理解及电流定义式I=的应用
例1 如图3所示的电解槽中,如果在4s内各有8C的正、负电荷通过面积为0.8m2的横截面AB,那么:
图3
(1)指出正、负离子定向移动的方向;
(2)电解槽中的电流方向如何?
(3)4s内通过横截面AB的电荷量为多少?
(4)电解槽中的电流为多大?
解析
(1)电源与电解槽中的两极相连后,左侧电极电势高于右侧电极,由于在电极之间建立电场,电场方向由左指向右,故正离子向右移动,负离子向左移动.
(2)电解槽中的电流方向向右.
(3)8C的正电荷向右通过横截面AB,而8C的负电荷向左通过该横截面,相当于又有8C正电荷向右通过横截面,故本题的答案为16C.
(4)由电流的定义得I==A=4A.
答案
(1)正离子向右运动,负离子向左运动
(2)向右 (3)16C (4)4A
[总结提升]
(1)电流的方向
与正电荷定向移动的方向相同,与负电荷定向移动的方向相反.金属导体中电流的方向与自由电子定向移动的方向相反.
(2)电流的大小
①I=是电流的定义式,I=nqSv是电流的决定式,故电流的大小与通过导体横截面的电荷量以及通电时间无关.
②电解液中应用I=计算电流时,q为正电荷总电荷量和负电荷总电荷量的绝对值之和.
(3)电流是标量:
电流虽然有方向但是它遵循代数运算法则.
针对训练 一硫酸铜电解槽的横截面积为2m2,在0.04s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 82.88A 方向与铜离子定向移动的方向相同
解析 电解槽中的电流是铜离子和硫酸根离子分别向相反的方向运动形成的,因为铜离子带正电荷,硫酸根离子带负电荷,规定正电荷定向移动的方向为电流的方向,所以电流的方向与铜离子定向移动的方向相同.
铜离子和硫酸根离子都是二价离子,每个离子的电荷量为q1=q2=2×
1.6×
10-19C
设铜离子的个数为n1,硫酸根离子的个数为n2,
所以I==
=A
=82.88A.
二、电流的微观意义
例2 导线中的电流是1A,导线的横截面积为1mm2.
(1)在1s内,有多少个电子通过导线的横截面(电子电荷量e=1.6×
10-19C)?
(2)自由电子的平均移动速率是多大(设导体每立方米内有8.5×
1028个自由电子)?
(3)自由电子沿导线移动1m,平均要多少时间?
解析
(1)N===6.25×
1018个.
(2)由公式I=neSv.
v==m/s≈7.4×
10-5m/s.
(3)以这样的速率沿导线传播1m需用时
t=s≈3.8h.
答案
(1)6.25×
1018
(2)7.4×
10-5m/s (3)3.8h
(1)I=nqvS为电流的微观表达式,从微观上看,电流决定于导体中单位体积内的自由电荷数、每个自由电荷的电量、定向移动的速率大小,还与导体的横截面积有关.若已知单位长度的自由电荷数为n,则电流的微观表达式为I=nqv.
(2)公式I=nqvS中的v表示电荷定向移动的速率.自由电荷在不停地做无规则的热运动,其速率为热运动的速率,电流是电子在热运动的基础上向某一方向定向移动形成的.
1.关于电源的以下说法,正确的是( )
A.电源的作用是在电源内部把电子由负极不断地搬运到正极,从而保持两极之间有稳定的电势差
B.电源的作用是在电源内部把电子由正极不断地搬运到负极,从而保持两极之间有稳定的电势差
C.只要电路中有电源,电路中就一定有电流
D.电源实质上也是一个用电器,也需要外界提供能量
答案 B
解析 电源的作用是维持正、负极之间恒定的电势差,这需要电源不断地将其内部的负电荷向负极聚集,将正电荷向正极聚集,外电路中自由电子在电场力的作用下向正极移动;
在电源内部,需要将正极上的电子搬运到负极,维持电势差不变,故A错,B对.电路中有电流不仅需要电源,还需要电路是闭合的,两者缺一不可,故C错.电源是对电路提供能量的装置,故D错.
2.电路中有一电阻,通过电阻的电流为5A,当通电5分钟时,通过电阻横截面的电子数为( )
A.1500个B.9.375×
1019个
C.9.375×
1021个D.9.375×
1020个
答案 C
解析 q=It,n===9.375×
1021个.
3.计数器因射线照射,内部气体电离,在时间t内有n个二价正离子到达阴极,有2n个电子到达阳极,则计数器中的电流为( )
A.0B.
C.D.
解析 I===,故选D.
4.如图4所示,一根横截面积为S的均匀长直橡胶棒上带有均匀的负电荷,每单位长度上电荷量为q,当此棒沿轴线方向做速度为v的匀速直线运动时,由于棒运动而形成的等效电流大小为( )
图4
A.qvB.
C.qvSD.
答案 A
解析 ts内棒通过的长度l=vt,总电荷量Q=ql=qvt.
由I===qv,故选项A正确.
一、选择题(1~8题为单选题,9~10题为多选题)
1.关于电流,下列叙述正确的是( )
D.恒定电流不是由恒定电场产生的
1.关于电流,以下说法正确的是( )
A.通过截面的电荷量的多少就是电流的大小
B.电流的方向就是电荷的定向移动方向
C.在导体中,只要自由电荷在运动,就一定会形成电流
D.导体两端没有电压就不能形成电流
2.以下说法正确的是( )
A.只要有可以自由移动的电荷,就存在持续电流
B.金属导体内的持续电流是自由电子在导体内的电场作用下形成的
C.电流的传导速率就是导体内自由电子的定向移动速率
D.在金属导体内当自由电子定向移动时,它们的热运动就消失了
解析 要有持续电流必须有电压,A错误.导体中形成电流的原因是在导体两端加上电压,于是在导体内形成了电场,导体内的自由电子在电场力作用下定向移动形成电流,B正确.电流的传导速率等于光速,电子定向移动的速率很小,C错误.在形成电流时电子定向移动,并不是热运动就消失了,其实电子仍然做无规则的热运动,D错误.故选B.
3.下列说法不正确的是( )
A.金属导体导电,只是自由电子做定向移动
B.电解液导电,正、负离子都做定向移动
C.气体导电,一定只有正离子做定向移动
D.气体导电,正、负离子和自由电子都做定向移动
解析 电流是自由电荷在电压的作用下(实质是在电场的作用下)定向移动形成的.不同种类的导体,其自由电荷也不同.在金属
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- 电源 电流