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1恒定电流电流形成电流的条件电荷的定向移动形成电流．这就是说，要形成电流，必须有能够自由移动的电荷——自由电荷．金属中的自由电子，电解液（酸、碱、盐的水溶液）中的正、负离子，都是自由电荷．在什么条件下，自由电荷才能发生定向移动呢？当导体内没有电场时，导体中大量的自由电荷就像气体中的分子一样，不停地做无规则的热运动．自由电荷向各个方向运动的机会都相等，因而对导体的任一横截面来说，在一段时间内从两侧穿过这个截面的自由电荷是相等的．从宏观角度来看，导体中的自由电荷没有定向移动，所以没有电流．电源正极的电势高，负极的电势低，两极之间有电压．把导体的两端分别接到电源的两极上，导体中有了电场，两端也有了电压，于是导体中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成电流．所以，导体中产生电流的条件是：导体两端存在电压．干电池、蓄电池、发电机等都是电源，它们的作用是保持导体两端的电压，使导体中有持续的电流．电流的方向导体中的电流可以是正电荷的定向移动，也可以是负电荷的定向移动，还可以是正、负电荷沿相反方向的定向移动．习惯上规定正电荷的定向移动方向为电流的方向．在金属导体中．电流的方向与自由电子定向移动的方向相反．在电解液中，电流的方向与正离子定向移动的方向相同，与负离子定向移动的方向相反．正电荷在电场力作用下从电势高处向电势低处运动，所以电流的方向是从电势高的一端流向电势低的一端，即在电源外部的电路中，电流的方向是从电源的正极流向负极．电流的强弱电流有强弱的不同，电流的强弱用电流这个物理量来表示．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.用I表示电流，则有在国际单位制中，电流的单位是安培，简称安，符号是A．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．电流的常用单位还有毫安（mA）和微安（μA）：1mA＝10-3A1μA＝10-6A．图示AD表示粗细均匀的一段导体,两端加以一定的电压.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,每个自由电荷所带的电荷量为q，自由电荷沿导体定向移动的速率为v，则导体中的电流I的微观表达式：I＝nqvS．方向不随时间而改变的电流叫做直流．方向和强弱都不随时间而改变的电流叫做恒定电流．通常的直流电常常是指恒定电流．*自由电子定向移动的速率常温下金属中自由电子热运动的平均速率约为105m/s．可见，在金属导体中，自由电子只不过在速率巨大的无规则热运动上附加了一个速率很小的定向移动．既然自由电子的定向移动的速率很小，为什么合上开关，电流会立即传到远处，使那里的用电器开始工作呢？这是因为“电流的传播速率”不是自由电子的定向移动速率，而是电场的传播速率．电场的传播速率是很大的，它等于光速（3.0×108m/s）．金属导线中各处都有自由电子，电路一旦接通，导线中便以3.0×108m/s的速率在各处迅速地建立起电场，在这个电场的作用下，导线各处的自由电子几乎同时开始做定向移动，整个电路中几乎同时形成了电流．2有人认为，电路接通后，自由电子从电源出发，以定向移动的速率在金属导线中传播，等到它们传到用电器，那里才有电流．这种看法是不正确的.欧姆定律欧姆定律电阻既然需要在导体的两端加上电压，导体中才能有电流通过，那么，导体中的电流跟导体两端的电压有什么关系呢？德国物理学家欧姆（1787－1854）通过实验研究得出结论：导体中的电流I跟导体两端的电压U成正比，即I∝U．通常把这个关系写成上两式中的R是电压与电流的比值．实验表明，对同一个导体来说，不管电压和电流的大小怎样变化，比值R都是恒定的．对不同的导体来说，R的数值一般是不同的．这表明，R是一个跟导体本身有关的量．导体的R值越大，在同一电压下通过的电流越小．可见，比值R反映导体对电流的阻碍作用，叫做导体的电阻．体两端的电压U成正比，跟导体的电阻R成反比．这就是我们在初中学过的欧姆定律．电阻的单位是欧姆，简称欧，符号是Ω．它是根据欧姆定律规定的：如果在某段导体的两端加上1V的电压，通过的电流是1A，那么，这段导体的电阻就是1Ω．所以，1Ω＝1V/A．常用的电阻单位还有千欧（kΩ）和兆欧（MΩ）：1kΩ＝103Ω．1MΩ＝106Ω．导体的伏安特性导体中电流I和电压U的关系可以用图线来表示．用纵轴表示电流I，用横轴表示电压U，画出的I－U图线叫做导体的伏安特性曲线．在金属导体中，电流跟电压成正比，伏安特性曲线是通过坐标原点的直线．具有这种伏安特性的电学元件叫做线性元件．欧姆定律是在金属导体的基础上总结出来的，对其他导体是否适用，还需要经过实验的检验．实验表明，除金属外，欧姆定律对电解液也适用，但对气态导体（如日光灯管中的气体）和某些导电器件（如晶体管）并不适用．对欧姆定律不适用的导体和器件，电流和电压不成正比，伏安特性曲线不是直线．这种电学元件叫做非线性元件．电阻定律电阻率电阻定律电阻率导体的电阻是导体本身的一种性质，它的大小决定于导体的材料、长度和横截面积．现在用实验定量地研究这个问题．实验表明，导体的电阻R跟它的长度L成正比，跟它的横截面积S成反比．这就是电阻定律．写成公式，则有式中的比例常量ρ跟导体的材料有关，是一个反映材料导电性能的物理量，称为材料的电阻率．横截面积和长度都相同的不同材料的导体，ρ值越大，电阻越大．当L＝1m，S＝1m2时，ρ的数值等于R值．可见，材料的电阻率在数值上等于这种材料制成的长为1m、横截面积为1m2的导体的电阻．式中R的单位是Ω，L的单位是m，S的单位是m2，所以ρ的单位是Ω·m（欧姆米，简称欧米）．几种导体材料在20℃时的电阻率3从上表可以看出，纯金属的电阻率小，合金的电阻率大．连接电路用的导线一般用电阻率小的铝或铜来制作，电炉、电阻器的电阻丝一般用电阻率大的合金来制作．各种材料的电阻率都随温度而变化．金属的电阻率随温度的升高而增大．电阻温度计就是利用金属的电阻随温度变化而制成的．常用的电阻温度计是利用金属铂做的．已知铂丝的电阻随温度的变化情况，测出铂丝的电阻就可以知道温度．有些合金如锰铜合金和镍铜合金的电阻率几乎可不受温度变化的影响，常用来制作标准电阻．半导体我们知道，容易导电的物体称为导体，不容易导电的物体称为绝缘体．其实，导体和绝缘体之间没有绝对的界限．绝缘体并非绝对不导电，只是绝缘体的电阻率很大．在室温下，金属导体的电阻率一般约为10-8Ω·m～10-6Ω·m，绝缘体的电阻率一般约为108Ω·m～1018Ω·m．长为1m、横截面积为1×10-4m2的一段绝缘体，两端加以1V电压，通过的电流约为10-14A～10-4A．可见电流是多么微小了．有些材料，它们的导电性能介于导体和绝缘体之间，而且电阻不随温度的增加而增加，反随温度的增加而减小，这种材料称为半导体，半导体的电阻率约为10-5Ω·m～106Ω·m．锗、硅、砷化镓、锑化铟等都是半导体材料．半导体的导电性能可以由外界条件所控制，如改变半导体的温度，使半导体受到光照，在半导体中加入其他微量杂质等，都可以使半导体的导电性能成百万倍地发生变化．这种性能是导体和绝缘体所没有的正因为半导体具备这种特性，人们用半导体制成了热敏电阻、光敏电阻、晶体管等各种电子元件，并且发展成为集成电路．把晶体管以及电阻、电容等元件，同时制作在很小的一块半导体晶片上，并且把它们按照电子线路的要求连接起来，使之成为具有一定功能的电路，这就是集成电路．在超大规模集成电路中，在面积比小拇指的指甲还小的一块半导体晶片上可以集成上百万个电子元件．集成电路的制成开辟了微电子技术的时代．集成电路的制成，微电子技术的发展，使电子计算机得以更新换代，由20世纪40年代约为30吨重的第一台庞大的电子计算机发展成为今天日益普及的个人计算机．个人计算机中的处理器（包括运算器和控制器）、存储器都是由大规模集成电路制成的．半导体，它在现代科学技术中发挥了重要的作用．超导体金属的电阻率随温度的降低而减小．人们发现，有些物质当温度降低到绝对零度附近时，它们的电阻率会突然减小到无法测量的程度，可以认为它们的电阻率突然变为零．这种现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质称为超导体．材料由正常状态转变为超导状态的温度，叫做超导材料的转变温度Tc．例如铅的转变温度Tc＝7.0K，水银的转变温度Tc＝4.2K，铝的转变温度Tc＝1.2K，镉的转变温度Tc=0.6K．超导体的电阻率几乎为零，如果用超导体材料制成一个闭合线圈，在这个线圈里一旦激发出电流，不需要电源，电流就可以持续几十天之久而不减小，并且发热的功率很小．在远距离输电中，在很长的输电线上白白地消耗掉大量的电能，如果使用超导输电线，将可避免电能的大量消耗．在大型的电磁铁和电机中，通过线圈的电流很强，损耗的电能很多．如果用超导材料做成线圈，耗损的功率大大降低，则可以制成强大功率的超导电磁铁和超导电机．各种电子器件如果能实现超导化．将会大大提高它们的性能．电子计算机实现超导化，将使个人计算机4具有超级计算机的性能．超导体的应用具有十分诱人的前景．超导材料的转变温度很低，要维持这样低的温度，在技术上是非常困难的．几十年来，科学家们积极进行高温超导的研究．我国的研究工作走在世界的前列，在1989年，我国科学家发现了转变温度Tc=130K的超导材料．目前在世界范围内掀起了高温超导研究的热潮，期望得到在室温下就能工作的超导材料．以便使它能有广泛的实际应用．电功和电率电功和电率电流通过一段电路时，自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，电场力对自由电荷做功．设一段电路两端的电压为U，通过的电流为I．在时间t内将电荷q由这段电路的一端移动到另一端，电场力所做的功W＝qU，而q＝It，所以W=UIt．（1）在一段电路中电场力所做的功，也就是通常说的电流所做的功，简称电功．单位时间内电流所做的功叫做电功率．用P表示电功率，则有电压U、电流I和通电时间t的单位分别是V、A和s，由（1）式和（2）式求出的电功W和电功率P的单位分别是J和W．电功率和热功率电场力对电荷做功的过程，是电能转化为其他形式能量的过程．在真空中，正电荷由电势高的某处移向电势低的另一处时，电场力对电荷做正功，电荷做加速运动，减少的电势能转化为电荷的动能．在电阻元件中电能的转化情况与真空中有所不同．在金属导体中，除了自由电子，还有金属正离子．在电场力的作用下，做加速定向移动的自由电子要频繁地与离子发生碰撞，并把定向移动的动能传给离子，使离子的热运动加剧．平均起来看，可以认为大量自由电子以某一不变的速率做定向移动．可见，在电阻元件中，通过自由电子与离子的碰撞，电能完全转化成内能．如果在一段电路中只有电阻元件，在这段电路中电场力所做的功W等于电流通过这段电路时发出的热量Q，即Q＝W＝UIt．由欧姆定律U＝IR，热量Q的表达式可写成Q=I2Rt．（3）这个关系最初是焦耳用实验直接得到的，这就是我们在初中学过的焦耳定律．单位时间内发热的功率P＝Q/t通常称为热功率．由（3）式可得热功率为P=I2R．（4）（1）式和（3）式，或者（2）式和（4）式，意义是不同的．（2）式表示输入给一段电路的全部电功率，或者说在这段电路上消耗的全部电功率．（4）式是这段电路上因发热而消耗的功率．在电路中只有电阻元件时，二者是相等的．当电路中有电动机、电解槽等用电器时，电能要分别转化成机械能、化学能等，只有一部分转化成内能，这时电功率大于热功率，二者并不相等．例如一台电动机，额定电压是220V，线圈电阻是0.4Ω，在额定电压下通过的电流是50A．在额定电压5下输入给电动机的电功率P＝UI＝11kW，热功率P=I2R=1kW，大部分电能（功率为10kW）转化成机械能．串联电路和并联电路串联电路把若干个电阻或电学元件一个接一个地连接起来，这种连接方式叫做串联．在串联电路中，电流只能沿着一条通路流过各个电阻，所以串联电路中各处的电流相同．电流通过串联电路的各个电阻时，沿电流方向每通过一个电阻，电势就要降低一定的数值，因此电阻两端的电压又叫做电势降．串联电路两端的电压等于各个电阻两端的电压之和．设串联电路有n个电阻，则有U=U1+