71电流电流密度

1、大学物理学电子教案大学物理学电子教案长江大学教学课件长江大学教学课件电流、电动势电流、电动势绪言绪言7-1 电流电流 电流密度电流密度7-2 电源电源 电动势电动势静止电荷静止电荷静电场静电场运动电荷运动电荷电场、电场、磁场磁场稳恒电流产生的磁场不随时间变化稳恒电流产生的磁场不随时间变化稳稳恒磁场恒磁场第七章第七章恒定磁场（绪论）恒定磁场（绪论）一、磁现象及其规律一、磁现象及其规律磁性磁性天然磁石和人工磁铁吸收铁天然磁石和人工磁铁吸收铁(fe)，钴钴( co)，镍，镍(ni)的性质。的性质。 磁体磁体具有磁性的物体具有磁性的物体 永久磁体永久磁体长期保持磁性长期保持磁性 的物体的物体磁极磁极条

2、形磁铁两端磁性最强的部分条形磁铁两端磁性最强的部分在水平面内自由转动的条形磁铁，在平衡时总是指向在水平面内自由转动的条形磁铁，在平衡时总是指向南北方向的，分别称为磁铁的两极（南北方向的，分别称为磁铁的两极（n、s）。）。不存在磁单极不存在磁单极磁力磁力磁体之间的相互作用，同极相斥，异极相吸磁体之间的相互作用，同极相斥，异极相吸磁针和磁针磁针和磁针ii二、二、电流的磁效应电流的磁效应载流导线与载流载流导线与载流导线的相互作用导线的相互作用在磁场中运动的在磁场中运动的电荷受到的磁力电荷受到的磁力磁铁与载流导磁铁与载流导线的相互作用线的相互作用insnsns电流的磁效应电流的磁效应奥斯特（奥斯特（h

3、ans christan oersted，1777-1851） 丹麦物理学家，发现了丹麦物理学家，发现了电流对磁针的作用，从电流对磁针的作用，从而导致了而导致了1919世纪中叶电世纪中叶电磁理论的统一和发展。磁理论的统一和发展。 运动电荷会激发磁场；运动电荷会激发磁场；运动的电荷在电磁场中将受到磁场力的作用；运动的电荷在电磁场中将受到磁场力的作用；一切磁现象起源于电荷的运动，磁场力就是运动电荷一切磁现象起源于电荷的运动，磁场力就是运动电荷之间的一种相互作用力。之间的一种相互作用力。小结：小结：内容：内容：描述磁场的基本物理量描述磁场的基本物理量磁感应强度磁感应强度电流磁场的基本方程电流磁场的基

4、本方程biot-savart定律定律磁场性质的基本方程磁场性质的基本方程高斯定理高斯定理与与安培环路定理安培环路定理磁场对电流与运动电荷的作用磁场对电流与运动电荷的作用lorentz力、力、ampere力力 静电场中的导体处于静电平衡时，其内部的场强为零，内部静电场中的导体处于静电平衡时，其内部的场强为零，内部没有电荷作定向的宏观运动。没有电荷作定向的宏观运动。如果把导体接在电源的两极上，如果把导体接在电源的两极上，则导体内任意两点之间将维持恒则导体内任意两点之间将维持恒定的电势差，在导体内维持一个定的电势差，在导体内维持一个电场，导体内的电荷在电场力的电场，导体内的电荷在电场力的作用下作宏观

5、的定向运动，形成作用下作宏观的定向运动，形成电流电流。7-1 恒定电流恒定电流uv1 、 电流电流 电流密度电流密度一、电流一、电流1、形成电流的条件形成电流的条件在导体内有可以自由移动的电荷（载流子）在导体内有可以自由移动的电荷（载流子）在半导体中是电子或空穴在半导体中是电子或空穴在金属中是电子在金属中是电子在电解质溶液中是离子在电解质溶液中是离子在导体内要维持一个电场，或者说在导体两端要存在在导体内要维持一个电场，或者说在导体两端要存在有电势差有电势差2、电流的方向、电流的方向正电荷移动的方向定义为正电荷移动的方向定义为电流的方向电流的方向电流的方向与自由电子移电流的方向与自由电子移动的方

6、向是相反的。动的方向是相反的。sidtdqi 3、 电流强度电流强度单位时间内通过任一截面单位时间内通过任一截面s的电量，叫做电流强度的电量，叫做电流强度是表示电流强弱的物理量，是标量，用是表示电流强弱的物理量，是标量，用 i 表示。表示。单位：库仑单位：库仑/秒秒=安培安培国际单位制基本量国际单位制基本量毫安（毫安（ma）、微安（）、微安（ a）二、二、电流密度电流密度 1、引入电流密度的、引入电流密度的必要性：必要性：描述电流分布的物理量描述电流分布的物理量电流密度。电流密度。2、定义：定义：电流密度矢量电流密度矢量的的方向方向为空间某点处正电荷的运动方向为空间某点处正电荷的运动方向, ,

7、 它的它的大大小小等于单位时间内该点附近垂直与电荷运动方向的单位截面上等于单位时间内该点附近垂直与电荷运动方向的单位截面上所通过的电量。所通过的电量。+is该点该点正正电荷电荷运动方向运动方向j方向方向： 大小大小：单位时间内过该点且垂直于正电荷：单位时间内过该点且垂直于正电荷运动方向的单位面积的电荷运动方向的单位面积的电荷cosddcosdddsistqjcosjdsdi sdjdi通过任意截面的电流通过任意截面的电流ssdjdiisdjisdjvd dtdvn导体中自由电子的数密度导体中自由电子的数密度e电子的电量电子的电量vd假定每个电子的漂移速度假定每个电子的漂移速度在时间间隔在时间间

8、隔dt内，长为内，长为dl=vddt、横截面积为、横截面积为s 的圆柱体内的的圆柱体内的自由电子都要通过横截面积自由电子都要通过横截面积s，所以此圆柱体内的自由电子，所以此圆柱体内的自由电子数为数为nsvddt，电量为，电量为dq=nesvddt通过此导体的电流强度为通过此导体的电流强度为3、电流和电流密度与电子漂移速度的关系、电流和电流密度与电子漂移速度的关系ddnesvdtdtnesvdtdqi dnevj 例例 （1）若每个铜原子贡献一个自由电子）若每个铜原子贡献一个自由电子 ，问，问 铜导铜导线中自由电子线中自由电子 数密数密 度为多少？度为多少？ （2）家用线路电流最大值）家用线路电

9、流最大值 15a， 铜铜 导导 线半径线半径0.81mm此时电子漂移速率此时电子漂移速率多少多少？ （3）铜导线中电流密度均匀，电流密度值多少？）铜导线中电流密度均匀，电流密度值多少？解解 (1)328m/1048. 8个mnna(2)1 -1 -4hm2sm1036. 5nseidv(3)26224ma1028. 7ma1010. 8(15）sij三、电流的三、电流的连续性方程连续性方程 恒定电流条件恒定电流条件根据电荷守恒定律，在单位时间内通过根据电荷守恒定律，在单位时间内通过闭合曲面向外流出的电荷，等于此闭合闭合曲面向外流出的电荷，等于此闭合曲面内单位时间所减少的电荷曲面内单位时间所减少

10、的电荷1、电流的、电流的连续性方程连续性方程对于任意一个闭合曲面，在单位时间内从闭合曲面向外对于任意一个闭合曲面，在单位时间内从闭合曲面向外流出的电荷，即通过闭合曲面向外的总电流为流出的电荷，即通过闭合曲面向外的总电流为 ssdjidtdqdtdqdtdqi dtdqsdjis 电流的连续性：电流的连续性：单位时间内通过闭合单位时间内通过闭合曲面向外流出的电荷曲面向外流出的电荷等于此时间内闭合曲等于此时间内闭合曲面里电荷的减少。面里电荷的减少。电流连续电流连续性方程性方程2、恒定电流条件、恒定电流条件电荷不随时间变化电荷不随时间变化0dtdqi0 ssdj电流线连续地穿过闭合曲面包围的体积，电

11、流线连续地穿过闭合曲面包围的体积，稳恒电流的电流线不可能在任何地方中稳恒电流的电流线不可能在任何地方中断，永远是连续的曲线。断，永远是连续的曲线。当导体中任意闭合曲面满足上式时，闭合曲面内没有电荷当导体中任意闭合曲面满足上式时，闭合曲面内没有电荷被积累起来，此时通过导体截面的电流是恒定的被积累起来，此时通过导体截面的电流是恒定的恒定恒定电流的条件电流的条件。0di1. 稳恒电流的电路必须是闭合的。稳恒电流的电路必须是闭合的。2.导体表面电流密度矢量无法向分量。导体表面电流密度矢量无法向分量。si1i2i021iii7-2 电源电源 电动势电动势一、电源一、电源1、电源、电源在导体中有稳恒电流流

12、动就不能单靠静在导体中有稳恒电流流动就不能单靠静电力，必须有非静电力把正电荷从负极电力，必须有非静电力把正电荷从负极板搬到正极板才能在导体两端维持有稳板搬到正极板才能在导体两端维持有稳恒的电势差。这种恒的电势差。这种能够提供非静电力的能够提供非静电力的装置叫作电源装置叫作电源。电源的作用是把其它形。电源的作用是把其它形式的能量转变为电能。式的能量转变为电能。2、电源的种类、电源的种类电解电池、蓄电池电解电池、蓄电池化学能化学能电能电能光电池光电池 光能光能 电能电能发电机发电机 机械能机械能电能电能静电力欲使正电荷静电力欲使正电荷从高电位到低电位。从高电位到低电位。非静电力欲使正电非静电力欲使

13、正电荷从低电位到高电荷从低电位到高电位。位。e+ + + +- - - -ri+ +电源内部电流从负极板到正极板叫电源内部电流从负极板到正极板叫内电路内电路电源外部电流从正极板到负极板叫电源外部电流从正极板到负极板叫外电路外电路二、电动势二、电动势1、引入、引入为了表述不同电源转化能量的能力，为了表述不同电源转化能量的能力，引入了电源电动势这一物理量。引入了电源电动势这一物理量。ldeqldeqqwkk2、定义、定义把单位正电荷绕闭合回路一周时，把单位正电荷绕闭合回路一周时，电源非静电力做的功定义为电源的电源非静电力做的功定义为电源的电动势电动势。e+ + + +- - - -ri+ +ke非

14、静电力非静电力电场强度电场强度内内外ldelelekkkdd因为电源外部没有非静电力，所以可写为：因为电源外部没有非静电力，所以可写为：电源电动势的大小等于把单位正电荷从负极经电源内部移电源电动势的大小等于把单位正电荷从负极经电源内部移到正极时非静电力所作的功。到正极时非静电力所作的功。3、计算、计算5、说明：、说明：电动势是电动势是标量标量，但有方向但有方向；其方向为电源内部电势升高的方；其方向为电源内部电势升高的方向，即从负极经电源内部到正极的方向为电动势的方向。向，即从负极经电源内部到正极的方向为电动势的方向。电动势的大小电动势的大小只取决于电源本身的性质只取决于电源本身的性质，而与外电

15、路无关。，而与外电路无关。电动势的单位为电动势的单位为伏特伏特。电源内部也有电阻，称为电源内部也有电阻，称为内阻内阻。电源两极之间的电势差称为电源两极之间的电势差称为路端电压路端电压，与电源的电动势是不与电源的电动势是不同的同的。4、电源的表示法、电源的表示法电势高的地方为正极，电势低的地方为负极。电势高的地方为正极，电势低的地方为负极。+ *正正极极负负极极电源电源+_ir补充：全电路欧姆定律补充：全电路欧姆定律一、一、一段含源电路的欧姆定律一段含源电路的欧姆定律iriabiriabibairuu ibairuu 放电时放电时充电时充电时二、二、闭合电路的欧姆定律闭合电路的欧姆定律irri

16、0 iirirrir i0 lll dedu闭合电路中电源电动势与总电阻之闭合电路中电源电动势与总电阻之比等于电路中的电流，这就是比等于电路中的电流，这就是全电全电路的欧姆定律路的欧姆定律。电源的端电压电源的端电压iiriru 电势降落的情况如右图所示电势降落的情况如右图所示例例 如图所示，电源电动势如图所示，电源电动势 1=2v， 2=4v，外电阻，外电阻r1=r2=2w w ，r3=6w w 。求：。求：(1)电路中的电流为多少？电路中的电流为多少？(2)a、b、c相邻两点间的电势相邻两点间的电势降为多少？降为多少？解：解：(1)电动势电动势 2 1，所以电路中的电流方向为逆时针。从图中，所以电路中的电流方向为逆时针。从图中a点出发，沿逆时针绕电路一周，各部分的电势降之和为零，点出发，沿逆时针绕电路一周，各部分的电势降之和为零，即即 021321 rrri