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第1讲 电 流
[目标定位] 1.知道持续电流产生的条件，并能进行微观解释.2.了解电流速度(传导速度)、自由电子热运动的平均速度和电子漂移速度(即电子定向移动速度).3.理解电流的定义，知道电流的单位、方向的确定，会用公式q＝It分析相关问题．
一、电流的形成
1．形成电流的条件：(1)自由电荷；(2)电压．
2．形成持续电流的条件：导体两端有持续电压．
二、电流的速度
1．电流的速度：等于电场的传播速度，它等于3.0×108m/s.
2．自由电子的运动速率：常温下，金属内的自由电子以105_m/s的平均速率在无规章的运动．
3．电子定向移动的速率：数量级大约是10－5m/s，被形象的称为“电子漂移”．
想一想 导线内自由电子的定向移动速率等于电流的传导速率吗？为什么？
答案 不等于，事实上电子定向移动的速率是很慢的，而且跟导体材料有关，只是导体中自由电子的定向移动是产生电流的缘由．电流的速率可以认为等于光速．
三、电流的方向
1．电流的方向：正电荷的定向移动的方向规定为电流的方向；
2．在电源外部的电路中电流的方向：从电源正极流向负极；在电源内部的电路中电流的方向：从电源负极流向正极．
想一想 金属导体中电流的方向与自由电荷的移动方向全都吗？为什么？
答案 不全都，电流的方向是指正电荷定向移动的方向，而金属导体中自由电荷是电子，电子的定向移动方向与电流方向相反．
四、电流的大小和单位
1．定义：在单位时间内通过导体任一横截面的电荷量称为电流．
2．定义式：I＝.
3．单位：国际单位：安培，符号A；常用单位：mA、μA换算关系为1A＝103mA＝106μA.
4．直流电：方向不随时间转变的电流叫做直流电．
恒定电流：方向和强弱都不随时间转变的电流叫做恒定电流．
想一想 电流是有大小和方向的物理量，电流是矢量吗？
答案 不是．电流的计算不满足平行四边形定则.
一、电流形成条件及三种速率的理解
1．电流的形成条件
(1)回路中存在自由电荷
①金属导体的自由电荷是电子．
②电解液中的自由电荷是正、负离子．
(2)导体两端有电压：电场对电荷有力的作用，例如两个导体间存在电势差，当用一导线连接时，导线中的自由电子会在电场力的作用下运动，形成电流．
(3)导体两端有持续电压是导体中形成持续电流的条件．
导体两端有了持续电压，导体中的自由电子就会在电场力的持续作用下形成持续不断的电流．
2．电路中三种速率的比较
(1)电子热运动的速率：构成导体的电子在不停地做无规章热运动，由于热运动向各个方向运动的机会相等，故不能形成电流，常温下电子热运动的速率数量级为105m/s.
(2)电子定向移动的速率：电子定向移动的速率很小，数量级为10－5m/s.自由电子在很大的无规章热运动的速率上又叠加上了一个很小的定向移动的速率．
(3)电流传导速率：等于光速，闭合开关的瞬间，电路中各处以真空中光速c建立恒定电场，电路中各处的自由电子几乎同时开头定向移动而形成了电流．
例1 在导体中有电流通过时，下列说法正确的是( )
①电子定向移动速率很小 ②电子定向移动速率即是电场传导速率 ③电子定向移动速率是电子热运动速率 ④在金属导体中，自由电子只不过在速率很大的无规章热运动上附加了一个速率很小的定向移动
A．①③ B．② C．③ D．①④
答案 D
解析 电子定向移动的速率很小，数量级为10－5m/s，自由电子只不过在速率很大的热运动上附加了很小的定向移动的速率．故①、④正确．电场的传导速率为光速c＝3×108 m/s，无规章热运动速率的数量级为105m/s.故②、③错误，故选D.
借题发挥 电荷定向移动的速率很小，当电路闭合后，并不是电荷瞬间从电源运动到用电器，而是瞬间在系统中形成电场，使导体中全部自由电荷同时定向移动形成电流．
二、电流的表达式
1．电流虽然有方向但是标量．
2．I＝是电流的定义式，电流与电量无正比关系，电流与时间也无反比关系．
3．在应用I＝计算时留意：
要分清形成电流的自由电荷的种类．对金属来讲，是自由电子的定向移动，电量q为通过横截面的自由电子的电量．对电解液来讲，是正、负离子同时向相反方向定向移动，电量q为正、负离子电荷量确定值之和．
例2 在某种带有一价离子的水溶液中，正、负离子在定向移动，方向如图1所示．假如测得2s内分别有1.0×1018个正离子和1.0×1018个负离子通过溶液内部的横截面M，则溶液中电流的方向如何？电流多大？
图1
答案 由A指向B 0.16A
解析 水溶液中导电的是自由移动的正、负离子，它们在电场的作用下向相反方向定向移动．电学中规定，电流的方向为正电荷定向移动的方向，所以溶液中电流的方向与正离子定向移动的方向相同，即由A指向B.
每个离子的电荷量是e＝1.60×10－19C．该水溶液导电时负离子由B向A运动，负离子的定向移动可以等效看做是正离子反方向的定向移动．所以，肯定时间内通过横截面M的电荷量应当是正、负两种离子电荷量的确定值之和．
I＝＝
＝A
＝0.16A.
借题发挥 电流的定义式I＝中，q是时间t内通过某一截面的电荷量，而不是单位截面积内的电荷量．
三、电流强度的微观表达式
1．建立模型：如图2所示，导体长为l，两端加肯定的电压，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
2．理论推导：AD导体中的自由电荷总数：N＝nlS.总电荷量Q＝Nq＝nlSq.全部这些电荷都通过横截面D所需要的时间：t＝.依据公式q＝It可得：导体AD中的电流：I＝＝＝nqSv.
3．结论：从微观上看，电流打算于导体中单位体积内的自由电荷数、每个自由电荷的电荷量、定向移动速率的大小，还与导体的横截面积有关．
例3 一段粗细均匀的金属导体的横截面积为S，导体单位体积内的自由电子数为n，金属导体内的自由电子的电荷量为e，自由电子做无规章热运动的速率为v0，导体中通过的电流为I，以下说法中正确的有( )
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＝
答案 B
解析 I＝nevS，所以v＝
v为自由电子定向移动的速率.
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