《导体中的电流》课件

导体中的电流探索电流的奥秘、特性及应用课程目标理解电流的基本概念掌握电流定义、方向和单位学习导体中电流的特性了解电流形成条件和影响因素掌握电流测量方法学会使用电流表和应用欧姆定律认识电流在生活中的应用什么是电流？带电粒子的定向移动电能传输的载体电路中的水流电荷在导体中的有序流动现象电流使电能得以从发电厂传输到家庭类似于水管中的水流，电流在电路中流动电流的定义物理定义微观视角宏观效应单位时间内通过导体横截面的电量导体中自由电子的定向移动产生热效应I=Q/t，其中Q为电量，t为时间电子从负极流向正极产生磁效应产生化学效应电流的方向传统电流方向约定俗成从正极流向负极电学计算中使用传统电流方向123电子实际移动方向从负极流向正极电流的单位安培A毫安mA微安μA国际单位制基本单位1A=1000mA1mA=1000μA安培的定义历史定义1基于电磁作用力现代定义2基于电子电荷和时间物理意义3每秒通过导体横截面的电量电流单位换算千安kA11kA=1000A安培A2基本单位毫安mA31A=1000mA微安μA41mA=1000μA导体的概念微观特征电阻特性具有大量自由电子电阻率低，导电性好导体定义与绝缘体对比能使电荷自由移动的物质绝缘体几乎没有自由电子2314常见导体材料铜铝银导电性好，价格适中重量轻，适用于高压输电导电性最佳，成本高金属导体中的自由电子金属晶格结构正离子形成固定晶格自由电子价电子脱离原子核束缚电子海自由电子在晶格间无规则运动导电能力自由电子数量决定导电能力电子在导体中的运动无电场时有电场时漂移速度无规则热运动叠加定向漂移运动非常缓慢，约毫米/秒平均位移为零形成净电流热运动速度约10^6米/秒电流形成的条件1存在自由电荷2形成电场3闭合电路导体中需有可移动的电荷载流子提供电荷定向移动的驱动力确保电荷能够连续流动电源的作用提供电动势做功使电荷移动在电路两端产生电位差克服电路电阻的阻碍维持电势差保持电场存在，使电流持续流动电路的基本组成电源导线提供电动势连接各元件开关用电器控制电路通断消耗电能简单电路图元件符号功能电池—|—提供电源电阻-[抗]-限制电流开关-/-控制通断灯泡-O-指示电流闭合电路与开路闭合电路开路完整无间断的电流通路电路中存在断点电流可以流动电流无法流动各元件正常工作各元件无法工作电流的测量选择合适量程从大到小调整量程串联接入电流表必须串联在被测电路中注意极性电流表正端接电源正极侧读取数据根据量程倍率计算实际电流值电流表的使用方法检查仪表状态确保指针在零位选择量程先大后小，防止仪表损坏断电连接在断电状态下接入电路垂直读数避免视差误差电流表的连接方式欧姆定律简介发现者基本内容德国物理学家欧姆于1827年提出导体中电流与电压成正比，与电阻成反比适用范围金属导体在恒温条件下欧姆定律公式I=U/R电流等于电压除以电阻U=IR电压等于电流乘以电阻R=U/I电阻等于电压除以电流电压、电流和电阻的关系欧姆定律的应用实例家用电器功率计算限流电阻设计电路故障排查P=UI=I²R R=U/I测量电流和电压，计算实际电阻已知电压和电阻，求功率已知所需电流和电压，求电阻与标称值比较，找出异常影响导体中电流大小的因素12电压电阻电压越高，电流越大电阻越大，电流越小3温度影响导体电阻值电阻的概念物理定义1导体阻碍电流通过的特性微观机制2电子与晶格碰撞散射宏观表现3导体发热，能量损耗电阻的单位欧姆Ω1基本单位千欧kΩ21kΩ=1000Ω兆欧MΩ31MΩ=1000kΩ毫欧mΩ41Ω=1000mΩ影响电阻大小的因素长度横截面积长度越大，电阻越大截面积越大，电阻越小温度材料温度升高，金属电阻增大不同材料电阻率不同电阻率的概念物理意义数学表达常见材料电阻率反映材料本身电阻特性ρ=RA/L银

1.59×10⁻⁸Ω·m与材料尺寸无关单位Ω·m铜

1.75×10⁻⁸Ω·m铁

9.71×10⁻⁸Ω·m温度对电阻的影响导体中的电场电场形成电场特点电场作用电源在导体两端产生电位差方向从高电位指向低电位为电子提供定向移动的力电场强度与电流的关系欧姆定律的微观形式比例系数应用j=σE电导率σ增大电场强度可增大电流电流密度与电场强度成正比σ=1/ρ，ρ为电阻率高导电率材料能更有效传导电流恒定电流的特征大小不变方向固定电流强度随时间保持恒定电流方向不随时间变化电场恒定热效应稳定导体中电场分布稳定产生的热量稳定金属导体中的电流模型德鲁德模型1电子气体模型，电子如同气体分子自由电子模型2价电子可自由移动能带模型3考虑了量子效应的更精确模型电子漂移速度定义数量级影响因素电子在电场作用下的平均定向移动速度通常仅为毫米/秒量级电场强度远小于电子热运动速度材料特性温度电流密度的概念物理定义数学表达单位面积上通过的电流j=I/A单位A/m²物理意义描述电流分布的均匀程度反映导体局部载流能力电流连续性方程焦耳热效应原理电流通过导体产生热量公式Q=I²Rt=UIt应用电热器、电灯、保险丝功率损耗计算P=I²R P=UI电阻损耗功率计算电流的平方乘以电阻电压乘以电流P=U²/R等效公式电压平方除以电阻导体发热与电流的关系安全用电知识避免超负荷不要在一个插座连接过多电器防水防潮潮湿环境要使用防水电器防止触电使用绝缘手套和工具正确插拔拔插座时握住插头而非电线短路和过载的危害短路过载电路阻抗突然变小电路负载超过设计容量电流瞬间增大导线长时间过热产生高热和电弧绝缘层老化损坏可能引发火灾增加触电和火灾风险家庭电路中的保护装置断路器漏电保护器保险丝自动切断过载电流检测漏电并迅速断开电路熔断保护，限制过大电流静电现象与电流静电积累电位差形成1摩擦产生电荷分离不同带电体之间存在电位差2电荷平衡瞬时放电43电荷重新分布均匀形成短暂强电流雷电的形成原理云层带电云中水滴与冰晶碰撞产生电荷分离电位差增大云层与地面间电位差达到临界值电击穿空气形成电离通道闪电放电瞬间大电流通过，产生高温和强光避雷针的工作原理尖端放电金属尖端产生电晕放电电荷引导为闪电提供优先通道电流传导通过金属导体传输雷电电流安全接地将电流导入地下电流在生活中的应用电流在医疗中的应用心脏除颤器脑电图电疗法使用电流重置心脏检测脑部微弱电流微电流刺激促进愈节律合电子显微镜利用电子束成像电流在工业中的应用电解技术用于金属提纯和电镀电弧焊接利用电弧高温熔接金属感应加热通过交变电流产生涡流加热电机驱动将电能转化为机械能超导体与电流超导特性临界条件应用领域零电阻临界温度强磁场装置完全抗磁性临界磁场无损耗输电临界电流磁悬浮列车半导体中的电流特性载流子类型温度特性12电子与空穴共同参与导电温度升高电阻减小应用单向导电性二极管，晶体管，集成电路43PN结具有单向导电特性电解质溶液中的电流电流载体正负离子的定向移动电解过程电极处发生氧化还原反应法拉第定律电解产物与通过电量成正比工业应用电镀、电解提纯、电解制氢电池工作原理化学能转化将化学能转化为电能电极反应正负极发生氧化还原反应电子转移通过外电路从负极流向正极电流形成形成持续稳定的电流可充电电池的特点可逆反应常见类型性能参数电化学反应可逆锂离子电池容量通过充电恢复活性物质镍氢电池循环寿命铅酸电池自放电率新能源与电流太阳能发电风力发电氢燃料电池光能直接转化为电能风能带动发电机产生电流氢氧反应产生电流太阳能电池的工作原理光子吸收1光子被半导体材料吸收电子激发2价带电子被激发到导带电荷分离3PN结电场分离电子和空穴电流形成4电子通过外电路形成电流电动汽车与电流电池储能电能转换1高容量锂电池储存电能电控系统调节电流输出2能量回收电机驱动制动能量转化为电流回充电流驱动电机产生转矩未来电流技术发展趋势量子电流基于量子效应的新型电流高温超导室温超导材料研发高效能源转换提高电能转换效率智能电网4双向电流流动的智能管理课程总结12基本概念电阻与欧姆定律电流定义、方向和单位电流、电压、电阻关系34电流效应实际应用热效应、磁效应和化学效应从日常生活到新兴技术思考与讨论1电流与磁场关系2新型导电材料如何通过电流产生磁场？石墨烯等新材料如何改变电流特性？3电流安全问题4未来能源传输如何设计更安全的用电环境？无线电能传输技术的可行性？。