3-1-穩(wěn)恒電流的閉合性資料

第三章穩(wěn)恒電流內(nèi)容提要前兩章探討了與靜止電荷有關(guān)的電現(xiàn)象。本章探討與運動電荷有關(guān)的現(xiàn)象。帶電粒子的運動將伴隨電量的遷移，形成電流。不隨時間變更的電流稱為穩(wěn)恒電流，通常也稱直流電。本章將以金屬導(dǎo)體為例，探討導(dǎo)體中穩(wěn)恒電流的形成及其規(guī)律，以及直流電路的計算教學要求1、理解導(dǎo)體中穩(wěn)恒電流的形成及其規(guī)律2、了解固體導(dǎo)電機理3、駕馭解決困難直流電路問題第三章穩(wěn)恒電流3-1穩(wěn)恒電流的閉合性一、電流的形成1、電流宏觀物質(zhì)包含著大量的原子、分子或離子。從電磁學的角度來看，宏觀物質(zhì)可以看成包含著大量帶電粒子的系統(tǒng)電荷任何方式的定向運動都形成電流。而電荷原委以什么方式運動，則與其所處的物理狀態(tài)有關(guān)在原子和分子中，被核束縛著的電子的運動范圍，只能在原子或分子的線度之內(nèi)，這些電子，以及束縛著它們的原子核內(nèi)部的電荷，我們稱之為束縛電荷

原子、分子中束縛電荷的運動——包括自旋、振動和束縛電子的“軌道”運動形成的電流，對物體的宏觀導(dǎo)電性沒有貢獻。但是對物體的宏觀磁性起著重大作用3-1穩(wěn)恒電流的閉合性一、電流的形成1、電流可以在固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)內(nèi)自由漂移，或在空間中自由運動的電荷，稱為自由電荷。例如金屬導(dǎo)體中脫離了核束縛而在其內(nèi)部漂移的自由電子，以及電解液和電離氣體中的正、負離子

3-1穩(wěn)恒電流的閉合性一、電流的形成2、產(chǎn)生電流的條件1）存在可以自由移動的電荷，即載流子金屬中：自由電子（本章以此為主）電解質(zhì)溶液、氣體中：正負離子、電子流半導(dǎo)體中：電子、空穴對2）存在迫使電荷作定向運動的某種作用電場作用（本章以此為主）化學作用機械作用等歷史的緣由，習慣上規(guī)定：帶正電的載流子的定向運動方向作為電流的方向?qū)w中電流的方向總是沿著導(dǎo)體中電場的方向，從高電勢處流向低電勢處.3、電流的方向3-1穩(wěn)恒電流的閉合性多數(shù)狀況下導(dǎo)電由負電荷引起，而正電荷沿某方向定向運動與負電荷沿反方向運動產(chǎn)生相同效果（注：有例外，如霍耳效應(yīng)）大量自由電荷集體運動的結(jié)果，形成宏觀上的“傳導(dǎo)電流”。當將導(dǎo)線接到電源的兩極時，導(dǎo)線內(nèi)的自由電子傾向于逆著電場方向漂移而形成傳導(dǎo)電流.

3-1穩(wěn)恒電流的閉合性二、電流強度和電流密度1、電流強度單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體任一橫截面元遷移的電量++++++金屬中自由電子作無規(guī)則熱運動，即使在絕對零度附近，仍，但，故無宏觀凈電量遷移

3-1穩(wěn)恒電流的閉合性二、電流強度和電流密度即導(dǎo)體中單位時間通過的某一給定截面的電量為通過該面的電流強度.說明

，(1)I為標量，單位為:安培（A）——SI制中基本單位之一(2)僅粗略描述單位時間內(nèi)通過某一曲面（可大可小、可隨意形態(tài)）的總電量，不夠點點具體3-1穩(wěn)恒電流的閉合性二、電流強度和電流密度又如在高頻溝通電路中，金屬導(dǎo)線內(nèi)自由電子漂移運動形成的傳導(dǎo)電流就存在“趨膚效應(yīng)”（SkinEffects），從導(dǎo)線表面到導(dǎo)線內(nèi)部，電流強度按某一指數(shù)規(guī)律減小，并且電流的流向也在快速變更1、電流強度例如陰極射線管中，從陰極發(fā)射出來的電子束，由于電子之間互相排斥，各個電子的運動方向不斷改變，束截面不斷變大，于是各點上電流的強弱和方向很不一致3-1穩(wěn)恒電流的閉合性二、電流強度和電流密度(b)高頻趨膚

(a)I相同，但分布有別

+V(c)電阻法探礦

(d)用電流場模擬靜電場

為了描述各點電流的強弱和方向，須要引入電流密度概念高頻電流趨膚效應(yīng)的測量儀器2、電流密度矢量單位時間內(nèi)通過垂直于載流子速度方向的單位面積的電量3、通過任一曲面的電流該點正電荷運動方向方向規(guī)定：大小規(guī)定：等于在單位時間內(nèi)過該點旁邊垂直于正電荷運動方向的單位面積的電荷3-1穩(wěn)恒電流的閉合性電流強度是單位時間內(nèi)通過某一曲面的總電量。是標量，描述導(dǎo)體中電流的整體特征電流密度反映了空間各點電流的分布狀況。是矢量，更精確地描述了導(dǎo)體中電流的分布規(guī)律4、電流強度與電流密度矢量5、電流場矢量場電流線電流線上每點的切線方向與該點電流密度的方向相同，曲線的疏密程度代表電流密度的大小絕緣體3-1穩(wěn)恒電流的閉合性電流密度單位:安培/平方米

A/m2

6、穩(wěn)恒電流矢量場與它的通量的關(guān)系不隨時間發(fā)生變更7、與I的關(guān)系是矢量場的通量8、單位電流的大小和方向都不隨時間發(fā)生變更3-1穩(wěn)恒電流的閉合性二、電流強度和電流密度三、電流的連續(xù)性方程穩(wěn)恒電流的閉合性1、電流的連續(xù)性方程單位時間內(nèi)通過封閉曲面對外遷移的電量，等于該封閉曲面內(nèi)單位時間削減的電量單位時間內(nèi)通過封閉曲面進入其內(nèi)的電量，等于該封閉曲面內(nèi)單位時間所增加的電量3-1穩(wěn)恒電流的閉合性通過封閉曲面的電流物理意義1)是電荷守恒定律在電流場中的數(shù)學表示3）電流場的電流線是有頭有尾的，電流線總是從正電荷量隨時間削減的地方發(fā)出；匯聚（終止）于正電荷量隨時間增加的地方電流的連續(xù)性方程（積分形式）2)電量削減率就是電流場的源（有源場）3-1穩(wěn)恒電流的閉合性2、穩(wěn)恒電流的閉合性穩(wěn)恒電流：電流線只可能是無頭無尾的閉合曲線穩(wěn)恒電流的電流密度（電流場）不隨時間變更，要求電荷的分布不隨時間發(fā)生變更隨意時刻t進入閉合曲面S的電流線條數(shù)與穿出該閉合曲面S的電流線條數(shù)相等。即電流場中沒有電流線發(fā)出的地方，也沒有電流線匯聚的地方意義穩(wěn)恒電流：空間任一閉合曲面內(nèi)的電量保持不變3-1穩(wěn)恒電流的閉合性穩(wěn)恒電流：電荷定向運動的特點是在任何地方，其流失的電荷必被別處流來的電荷所補充，電流的流淌過程是空間每一點的一些電荷被另一些電荷代替的過程。所以才保證電荷分布不隨時間變更，所產(chǎn)生的電場也不隨時間發(fā)生變更3-1穩(wěn)恒電流的閉合性三、電流的連續(xù)性方程穩(wěn)恒電流的閉合性SI由穩(wěn)恒條件可得出幾個結(jié)論3-1穩(wěn)恒電流的閉合性4）在電路的任一節(jié)點處，流入的電流強度之和等于流出節(jié)點的電流強度之和---節(jié)點電流定律(基爾霍夫第確定律)3）對一段無分支的穩(wěn)恒電路，其各橫截面的電流強度相等2）導(dǎo)體表面電流密度矢量無法向重量1）穩(wěn)恒電流的電路必需閉合分布不隨時間變更的電荷所產(chǎn)生的電場亦不隨時間變更，這種電場稱為穩(wěn)恒電場3、穩(wěn)恒電場電荷分布不隨時間變更；穩(wěn)恒電場與靜電場比較相同之處：3-1穩(wěn)恒電流的閉合性

電勢、電勢差的概念有效高斯定理和環(huán)路定理成立，是有源無旋場；電場亦不隨時間變更；不同之處：1）產(chǎn)生穩(wěn)恒電場的電荷是運動的電荷，但電荷分布不隨時間變更2）穩(wěn)恒電場對運動電荷作功，但穩(wěn)恒電場的存在總伴隨著能量的轉(zhuǎn)移3）靜電平衡條件及其有關(guān)的結(jié)論不再適用結(jié)論：穩(wěn)恒電路中存在穩(wěn)恒電場，場線與電流線方向相同4、穩(wěn)恒電路（直流電路）穩(wěn)恒電路必定是閉合電路在沒有分支的穩(wěn)恒電路中，通過各截面的電流必定相等3-1穩(wěn)恒電流的閉合性三、電流的連續(xù)性方程穩(wěn)恒電流的閉合性一般直流電路中的電流線是形狀大致與電路形狀類似的閉合曲線。在導(dǎo)線的內(nèi)表面處，電流線總是平行于導(dǎo)體表面，否則會有電荷匯聚于導(dǎo)線表面，使電荷分布發(fā)生變化，違背了穩(wěn)恒電流的條件直流電源3-1穩(wěn)恒電流的閉合性例1：銅每立方米含個原子，通常情況下每個原