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电流

科学上把单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做电流强度,简称电流。通常用字母 I表示,它的单位是安培(安德烈玛丽安培),1775年1836年,法国物理学家、化学家,在电磁作用方面的研究成就卓著,对数学和物理也有贡献。电流的国际单位安培即以其姓氏命名),简称“安”,符号 “A”,也是指电荷在导体中的定向移动。

导体中的自由电荷在电场力的作用下做有规则的定向运动就形成了 电流。

电源的电动势形成了电压,继而产生了电场力,在电场力的作用下,处于电微安(μA)1A=1 000mA=1 000 000μA,电学上规定:正电荷定向流动的方向为电流方向。金属导体中电流微观表达式I=nesv,n为单位体积内自由电子数,e为电子的电荷量,s为导体横截面积,v为电荷速度。

大自然有很多种承载电荷的载子,例如,导电体内可移动的电子、电解液内的离子、等离子体内的电子和离子、强子内的夸克。这些载子的移动,形成了电流。

国际单位制中电流的基本单位是安培。 1安培定义为:在真空中相距为1米的两根无限长平行直导线,通以相等的恒定电流,当每米导线上所受作用力为2×10-7 N时,各导线上的电流为1安培。

初级学习中1安培的定义:1秒内通过导体横截面的电荷量为1库仑,即:1安培=1库仑/秒。

换算方法:

1kA=1000A

1A=1000mA

1mA=1000μA

1μA=1000nA

1nA=1000pA

一些常见的电流:电子手表1.5μA至2μA,白炽灯泡200mA,手机100mA,空调5A至10A,高压电200A,闪电20000A至200000A。

定义公式:

物理上规定电流的方向,是正电荷定向运动的方向(即正电荷定向运动的速度的正方向或负电荷定向运动的速度的反方向)。电流运动方向与电子运动方向相反。

电荷指的是自由电荷,在金属导体中的自由电荷是自由电子,在酸,碱,盐的水溶液中是正离子和负离子。

在电源外部电流由正极流向负极。在电源内部由负极流回正极。

通过导体横截面的电荷量Q跟通过这些电荷量所用的时间t的比值称为电流,也叫电流强度。即 I=Q/t 。如果在1s内通过导体横截面的电荷量是1C,导体中的电流就是1A。

决定电流大小的微观量:在加有电压的一段粗细均匀的导体AD上选取两个截面B和C,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,每个电荷的电荷量为e,电荷的定向移动速率为v,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。由

其中:

n :表示单位体积内的自由电荷数;

e:自由电荷的电量;

s:为导体横截面积;

v:为自由电荷定向移动的速率。

电路中保持有恒定的电动势(电力场)。

电路连接好,闭合开关,处处相通的电路叫做通路(也称为闭合电路)。

(串联电路(n个用电器串联):

电流:I总=I1=I2....=In (串联电路中,电路各部分的电流相等)

电压:U总=U1+U2....+Un (总电压等于各部分电压之和)

电阻:R总=R1+R2....+Rn(总电阻等于各部分电阻之和)

并联电路(n个用电器并联):

电流:I总=I1+I2....+In(并联电路中,干路电流等于各支路电流之和)

电压:U总=U1=U2....=Un(各支路两端电压相等并等于电源电压)

电阻:1/R总=1/R1+1/R2....+1/Rn(总电阻倒数等于各部分电阻倒数之和)。当2个用电器并联时,有以下推导公式:R总=R1R1/(R1+R2)

电阻公式推导方法:

(1)串联:由U总=U1+U2....+Un,得到I总R总=I1R1+I2R2....+InRn

因为串联电路各部分电流相等,即I总=I1=I2....=In,所以得到:

R总=R1+R2....+Rn(例如一个3Ω的电阻和一个6Ω的电阻串联,其串联的总电阻为9Ω)

(2)并联:由I总=I1+I2....+In,得到U总/R总=U1/R1+U2/R2....+Un/Rn

因为并联电路各部分电压等于总电压,即U总=U1=U2....=Un,所以得到:

1/R总=1/R1+1/R2....+1/Rn(例如一个3Ω的电阻和一个6Ω的电阻并联,其并联的总电阻为2Ω)

对于只有两个电阻并联的部分来说,可以继续推导出以下公式:

由1/R总=1/R1+1/R2....+1/Rn可知:1/R总=1/R1+1/R2=R2/R1R2+R1/R1R2=(R1+R2)/R1R2

所以R总=R1R1/(R1+R2)

由上面的公式还可以得到一个结论:串联的总电阻大于其任意一分电阻,并联的总电阻小于其任意一分电阻。

电流的方向与正电荷在电路中移动的方向相同。实际上并不是正电荷移动,而是负电荷移动。电子流是电子(负电荷)在电路中的移动,其方向为电流的反向。电流强度可以用公式表达为:

其中,Q为电量(单位是库仑),t为时间(单位是秒)。

1、有电场。(电路当中,电源会产生电场。)
  2、有自由移动的带电粒子。(电路中,还需要是闭合电路。)

GB/T762-2002

单位A(安培)
  1、1.25、1.6、2、2.5、3.15、4、5、6.3、8、10、12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、5000、6300、8000、10000、12500、16000、20000、25000、31500、40000、50000、63000、80000、100000、125000、160000、200000

在各种介质内的电流的物理性质

金属

在固态金属导体内,有很多可移动的自由电子。虽然这些电子并不束缚于任何特定原子,但都束缚于金属的晶格内。甚至于在没有外电场作用下,因为热能(thermal energy) ,这些电子仍旧会随机地移动。但是,在导体 内,平均净电流是零。挑选导线内部任意截面,在任意时间间隔内,从截面一边移到另一边的电子数目,等于反方向移过截面的数目。如同乔治伽莫夫在他发表于 1947 年的科学畅销书《One, Two,Three…Infinity》谈到:

“金属物质与其它物质不同的地方,在于其最外层的电子很松弛地束缚于原子,电子能够很容易地逃离原子。因此,满布于金属的内部,有很多未被束缚的电子,毫无目标地游动,就好像一群无家可归的醉汉。当施加电压于一根金属导线的两端,这些自由电子会朝着电势高的一端奔去,这样,形成了电流。”

其它介质

在固态金属内,电荷流动的载子是电子,从低电势流到高电势。在其它种介质内,任何电荷载子的载子流都可以形成电流。 在真空内,可以制作一个离子束(ion beam) 或电子束。这也是一种电流。在有些传导性物质内,电流是由正电荷载子和负电荷载子共同形成的。在像质子导体(proton conductor) 一类的物质内,电流可能完全是由正电荷载子形成。例如,在水溶液内,电解质会导电,电流内的正价氢离子(质子)朝着某方向流动,负价的硫酸根离子朝着反方向流动。在电花(spark) 或等离子体内的电流内有电子、正离子、负离子。在半导体内,可以视电流为正值空穴(一个呈电中性的原子,由于少了一个负电的电子,所以那里就会呈现出一个正电性的空位)的流动。这种半导体称为p型半导体

学生用表

电流表的符号:- A -电流表的使用方法:

电流表要与被测用电器串联。

正负接线柱的接法要正确:使电流从正接线柱流入,从负接线柱流出,俗称正进负出。

被测电流不要超过电流表的量程。(否则会烧坏电流表)可用试触的方法确定量程。

因为电流表内阻太小(相当于导线),所以绝对不允许不经过用电器而把电流表直接连到电源的两极上。

确认使用的电流表的量程。

确认每个大格和每个小格所代表的电流值。

钳形表

钳形电流表(简称钳表),是集电流互感器与电流表于一身的仪表,其工作原理与电流互感器测电流是一样的。钳形表是 由电流互感器和电流表组合而成。电流互感器的铁心在捏紧扳手时可以张开,被测电流所通过的导线可以不必切断就可穿过铁心张开的缺口,当放开扳手后铁心闭合。穿过铁心的被测电路导线就成为电流互感器的一次线圈,其中通过电流便在二次线圈中感应出电流。从而使二次线圈相连接的电流表便有指示测出被测线路的电流。

钳形电流表分高、低压两种,用于在不拆断线路的情况下直接测量线路中的电流。

新型仪表

各类变频电量分析仪、高精度功率分析仪、宽频功率分析仪等高端仪器,可以测量任意波形的电压、电流、功率和谐波。

电流分为交流电流和直流电流。

交流电:大小和方向都发生周期性变化。生活中插墙式电器使用的是民用交流电源。

直流电:方向不随时间发生改变。生活中使用的可移动外置式电源提供的的是直流电。

交流电在家庭生活、工业生产中有着广泛的使用,生活民用电压220V、通用工业电压380V,都属于危险电压。

直流电一般被广泛使用于手电筒(干电池)、手机(锂电池)等各类生活小电器等。干电池(1.5V)、锂电池、蓄电池等被称之为直流电源。因为这些电源电压都不会超过24V,所以属于安全电源。

热效应

导体通电时会发热,把这种现象叫做电流热效应。例如:比较熟悉的焦耳定律:是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。(焦耳定律)

磁效应

电流的磁效应(动电会产生磁):奥斯特发现:任何通有电流的导线,都可以在其周围产生磁场的现象,称为电流的磁效应。(毕奥-萨法尔定律)

化学效应

电的化学效应主要是电流中的带电粒子(电子或离子)参与而使得物质发生了化学变化。化学中的电解水或电镀等都是电流的化学效应。(法拉第电解定律)

折叠欧姆定律

很早以前,人们就有有关电流、电压关系的猜想(当时没有电阻这一概念),但由于那时候没有能提供稳定电压的电源,所以这些猜想知道很久以后才被人类系统地总结出来。世界上第一个系统研究电流、电压与电阻关系的人是欧姆(1789~1854)。在大量实验的基础上,欧姆总结出了它们三者的关系:电压一定时,电流与电阻成反比;电阻一定时,电流与电压成正比,用公式表示就是:I=U/R。

除此之外,欧姆还在他其它的著作中说明了影响电阻的因素,其公式可以表达为R=ρL/S(ρ为导体电阻率,L为导体长度,S为导体横截面积)。

乔治西蒙欧姆(1789~1854),德国物理学家,生于巴伐利亚埃尔兰根城。欧姆的父亲是一个技术熟练的锁匠,对哲学和数学都十分爱好。欧姆从小就在父亲的教育下学习数学并受到有关机械技能的训练,这对他后来进行研究工作特别是自制仪器有很大的帮助。欧姆的研究,主要是在1817~1827年担任中学物理教师期间进行的。他的研究工作是在十分困难的条件下进行的。他不仅要忙于教学工作,而且图书资料和仪器都很缺乏,所以他只能利用业余时间,自己动手设计和制造仪器来进行有关的实验。1826年,欧姆发现了电学上的一个重要定律欧姆定律,这是他最大的贡献。这个定律在我们今天看来很简单,然而它的发现过程却并非如一般人想象的那么简单。欧姆为此付出了十分艰巨的劳动。在那个年代,人们对电流强度、电压、电阻等概念都还不大清楚,特别是电阻的概念还没有,当然也就根本谈不上对它们进行精确测量了;况且欧姆本人在他的研究过程中,也几乎没有机会跟他那个时代的物理学家进行接触,他的这一发现是独立进行的。欧姆独创地运用库仑的方法制造了电流扭力秤,用来测量电流强度,引入和定义了电动势、电流强度和电阻的精确概念。

欧姆发现了电阻中电流与电压的正比关系,即著名的欧姆定律;欧姆他还证明了导体的电阻与其长度成正比,与其横截面积和传导系数成反比,以及在稳定电流的情况下,电荷不仅在导体的表面上,而且在导体的整个截面上运动。为纪念欧姆在电学上的重要贡献,国际物理协会将电学中电阻的单位命名为欧姆,用希腊字母欧米伽(Ω)来作为电阻的符号,欧姆的名字也被用于其他物理及相关技术内容中,比如“欧姆接触”“欧姆杀菌”,“欧姆表”等。

安德烈玛丽安培(André-Marie Ampère 1775~1836年),法国物理学家,对数学和化学也有贡献。1775年1月22日生于里昂一个富商家庭。年少时就显出数学才能。

科学成就:1.安培最主要的成就是1820~1827年对电磁作用的研究。

①发现了安培定则

奥斯特发现电流磁效应的实验,引起了安培注意,使他长期信奉库仑关于电、磁没有关系的信条受到极大震动,他全部精力集中研究,两周后就提出了磁针转动方向和电流方向的关系及从右手定则的报告,以后这个定则被命名为安培定则。

②发现电流的相互作用规律

接着他又提出了电流方向相同的两条平行载流导线互相吸引,电流方向相反的两条平行载流导线互相排斥。对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论。

③发明了电流计

安培还发现,电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性和磁铁相似,创制出第一个螺线管,在这个基础上发明了探测和量度电流的电流计。

④提出分子电流的假说

他根据磁是由运动的电荷产生的这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。提出了著名的分子电流假说。安培认为构成磁体的分子内部存在一种环形电流分子电流。由于分子电流的存在,每个磁分子成为小磁体,两侧相当于两个磁极。通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的,它们产生的磁场互相抵消,对外不显磁性。当外界磁场作用后,分子电流的取向大致相同,分子间相邻的电流作用抵消,而表面部分未抵消,它们的效果显示出宏观磁性。安培的分子电流假说在当时物质结构的知识甚少的情况下无法证实,它带有相当大的臆测成分;在今天已经了解到物质由分子组成,而分子由原子组成,原子中有绕核运动的电子,安培的分子电流假说有了实在的内容,已成为认识物质磁性的重要依据。

⑤总结了电流元之间的作用规律安培定律

安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验,并运用高度的数学技巧总结出电流元之间作用力的定律,描述两电流元之间的相互作用同两电流元的大小、间距以及相对取向之间的关系。后来人们把这定律称为安培定律。安培第一个把研究动电的理论称为“电动力学”,1827年安培将他的电磁现象的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中。这是电磁学史上一部重要的经典论著。为了纪念他在电磁学上的杰出贡献,电流的单位“安培”以他的姓氏命名。

他在数学和化学方面也有不少贡献。他曾研究过概率论和积分偏微方程;他几乎与H戴维同时认识元素氯和碘,导出过阿伏伽德罗定律,论证过恒温下体积和压强之间的关系(玻意耳定律),还试图寻找各种元素的分类和排列顺序关系。

2.“电学中的牛顿”

安培将他的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中,成为电磁学史上一部重要的经典论著。麦克斯韦称赞安培的工作是“科学上最光辉的成就之一,还把安培誉为“电学中的牛顿”。

安培还是发展测电技术的第一人,他用自动转动的磁针制成测量电流的仪器,以后经过改进称电流计。

安培在他的一生中,只有很短的时期从事物理工作,可是他却能以独特的、透彻的分析,论述带电导线的磁效应,因此我们称他是电动力学的先创者,他是当之无愧的。

电流密度是一种度量,以矢量的形式定义,其方向是电流的方向,其大小是单位截面面积的电流。采用国际单位制,电流密度的单位是“安培/平方毫米”。用方程表达J=I/s

其中( I )是电流,( J )是电流密度,( s )是截面矢量。

造成触电伤亡的主要因素一般有以下几方面:

1.通过人体电流的大小。根据电击事故分析得出:当工频电流为0.5~1mA时,人就有手指、手腕麻或痛的感觉;当电流增至8~10mA时,针刺感、疼痛感增强发生痉挛而抓紧带电体,但终能摆脱带电体;当接触电流达到20~30mA时,会使人迅速麻痹不能摆脱带电体,而且血压升高,呼吸困难;电流为50mA时,就会使人呼吸麻痹,心脏开始颤动,数秒钟后就可致命。通过人体电流越大,人体生理反应越强烈,病理状态越严重,致命的时间就越短。

2.通电时间的长短。电流通过人体的时间越长后果越严重。这是因为时间越长,人体的电阻就会降低,电流就会增大。同时,人的心脏每收缩、扩张一次,中间有0.1s的时间间隙期。在这个间隙期内,人体对电流作用最敏感。所以,触电时间越长,与这个间隙期重合的次数就越多,从而造成的危险也就越大。

3.电流通过人体的途径。当电流通过人体的内部重要器官时,后果就严重。例如通过头部,会破坏脑神经,使人死亡。通过脊髓,会破坏中枢神经,使人瘫痪。通过肺部会使人呼吸困难。通过心脏,会引起心脏颤动或停止跳动而死亡。这几种伤害中,以心脏伤害最为严重。根据事故统计得出:通过人体途径最危险的是从手到脚,其次是从手到手,危险最小的是从脚到脚,但可能导致二次事故的发生。

4.电流的种类。电流可分为直流电、交流电。交流电可分为工频电和高频电。这些电流对人体都有伤害,但伤害程度不同。人体忍受直流电、高频电的能力比工频电强。所以,工频电对人体的危害最大。

5.触电者的健康状况。电击的后果与触电者的健康状况有关。根据资料统计,肌肉发达者、成年人比儿童摆脱电流的能力强,男性比女性摆脱电流的能力强。电击对患有心脏病、肺病、内分泌失调及精神病等患者最危险。他们的触电死亡率最高。另外,对触电有心理准备的,触电伤害轻。

电荷

摩擦起电分电荷,电荷电性分两种。

毛皮橡胶橡带负,丝绸玻璃玻带正。

同种电荷相排斥,异种电荷相吸引。

看到排斥的现象,电荷电性肯定同。

元电荷:带的电荷1.6,乘以10的-19方。

电流方向

形成电流有规定,电荷定向之移动。

正电移动的方向,规定电流的方向。

金属导电靠(自由)电子,电子方向电流反。

串联和并联

串联电路

首尾相连为串联,串联电路一条路。

一个开关控全部,位置不同控相同。

所有电器互(相)影响,一个停止都停止。

并联电路

头头连,尾尾连,并列两点为并联。

电器独立能工作,互不影响是特点。

并联电路几条路,总关控全支控支。

根据实物图画电路图

寻找接线多线柱,串并关系要分清。

一画支路二并联,再画干路和电源。

元件符号要标清,画完对应要检查。

根据电路图连接实物图

按图连接要注意,一连支路二并联。

三连干路和电源,四再添加电压表。

【设计电路】

设计先画电路图,开关位置是关键。

开关控谁跟谁串,通常闭合电灯亮。

所有电器都控制,开关一定在干路。

任一开关闭合后,铃响铃定在干路。

电流的强弱

电流表

电流表,测电流,测谁电流跟谁串。

“+”进“-”出右偏转,左转线柱定接反。

禁止直接连电源,短路烧毁电流表。

读数首先看量程,再看最小刻度值。

量程选用0.6A,0.02A一小格。

量程选用3安培,一小格为0.1A.

探究串、并联电路电流规律

串联电流之关系,各处电流都相等,I=I1=I2.

并联电流之特点,总流等于支流和,I=I1+I2.

例一.电流表的表盘如图所示。

(1)若使用0.6A的量程,则电流表示数是多少?

(2)若使用3A的量程,则电流表示数是多少?

(3)若用此表测量约为0.3A的电流强度,应将表的哪两个接线柱接入?

解答:

(1)若用0.6A量程,最小刻度为0.02A,指针所指为0.49A。

(2)若用3A量程,最小刻度为0.1A,指针所指为2.45A。

(3)0.3A的电流强度,既未超过3A量程,也未超过0.6A量程,同时考虑准确度,应选用0.6A量程,即将电流表的“-”和“0.6”两接线柱接入待测电路。

思维方式:根据量程明确准确后再行读数。

例二.某同学连接一个实验电路如图所示。

(1)图中电流表的连接有什么错误。

(2)若要测量通过灯泡L2的电流,只允许变动图中某一根导线中的一个端点的接线位置,应如何变动?

(3)在(2)中已作变动的基础上,如果要测量通过电源的电流,也只允许变动一根导线上的一个端点的接线位置,应如何变动?

解答:

(1)从图中可以看出,电流表与灯泡L1串联,即测量通过L1的电流强度,但电流表的+、-接线柱接反了。

(2)要测通过L2的电流,应将电流表与L2串联,应将导线a原接电流表“+”接线柱一端改接到“-”接线柱。

(3)要测通过电源的电流,即测通过L1和L2的总电流,应将电流表与电源串联,可将导线c原接电流表“-”接线柱的一端改接到“+”接线柱上。

思维方式:根据电流表测电流的使用规则分析。


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