电流

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电流(Electric Current)

目录

什么是电流[1]

  电荷在电路中沿着一定方向移动,电路中就有了电流。电流通过导体时会产生各种效应,可以根据产生的效应的大小来判断电流的大小。电流通过灯泡时,灯丝变热、发光,这是电流的热效应;电流还可以发生磁效应。下面利用小灯泡做实验,利用电流热效应来判断电流:把一只小灯泡用导线跟一节干电池连通,再把这只小灯泡跟两节干电池连通,注意观察这两种情况下小灯泡的发光亮度。如图1、图2所示,连一节干电池时,小灯泡发光较暗;连两节干电池时,小灯泡发光较亮。对同一小灯泡,越亮就表示通过它的电流产生的效应越大,也就是电流越大。

Image:图1小灯泡的发光亮度较弱.jpg

Image:图2小灯泡的发光亮度较强.jpg

  电流是由电荷的移动形成的,在一定时间内,通过导体某一横截面的电荷越多,即电量越多,电流就越大。电流的大小用电流强度(简称电流)表示,电流强度等于1S内通过导体横截面的电量。国际上通常用字母I表示电流,如果用Q表示通过导体横截面的电量,t表示通电时间,那么I=Q/t半,如果式中电量Q的单位用C(库仑),时间t的单位用s(秒),电流J的单位就是安培,简称安,符号是A。如果在1S内通过导体横截面的电量是1c,导体中的电流就是1A。

  1A=1C/1s

  在相同的时间里,通过横截面S的电荷少,电流就小;通过横截面S的电荷多,电流就大。如果在10s内通过导体横截面的电量是20C,那么导体中的电流

  I=Q/t=20C/10s=2A

电流的方向[2]

  电流不但有大小,而且有方向。规定正电荷运动的方向为电流的实际方向。对于简单的电路,不难根据物理知识判断正电荷运动的方向,从而确定电流的实际方向。对于一些复杂的电路,某一元件上流过的电流的实际方向就难以确定。此外,如果电流的实际方向随时间不断地变化,则更无法标明它的实际方向。为解决这一问题,引入了参考方向的概念。所谓参考方向就是预先假设的电流方向。这样一来,这个参考方向就可能与电流的实际方向相同,也可能与电流的实际方向相反。也就是说:

  ①电流的实际方向:正电荷运动的方向。

  ②电流的参考方向:人为规定的电流方向。

  ③实际方向与参考方向的关系:根据电流的参考方向,I>0,表示电流的实际方向与参考方向相同;I<0,表示电流的实际方向与参考方向相反,如图所示。

  Image:电流的参考方向与实际方向的关系.jpg

  电路分析所涉及的电流均指参考方向的电流。在分析计算电路时,必须在电路中先标出电流的参考方向,否则,计算结果的正负是毫无意义的。

电流的磁效应[3]

  1820年丹麦哥本哈根大学的奥斯特(HansChristianOersted1777—1851)发现了电流的磁效应。这段历史很有趣,并且我们今天也还能从中获得一些教益。现在择要介绍一下:有一次当屋外有闪电时,奥斯特看到室内的指南针发生了不规则的摆动。在这个启示下,他猜想是电流使磁针摆动,在课堂上进行了二个实验:将电池的两个电极用导线短接,把导线靠近指南针,导线是水平放置并与磁针成直角,因而没有观察到对磁针的影响。当他结束讲演,将导线放到与磁针平行的位置时,却立即发现磁针产生了明显的偏转。他召集了一些同事,并换了一个大一些的电池,重复进行这个实验给大家看。1820年6月,他写了一本小册子《电流对磁针作用的实验》,私人印发给一些科学家和科学团体。这本书中记载了他观察到的现象:“接通电池两极的金属导线可简称联线,……在联线距磁针约3/4英寸时,磁针的偏转约为45度,若距离增加则针的偏转减小,偏转的大小与电池的强弱有关系。……这种效应可以透过玻璃、金属、木材、树脂、石头等。……‘电冲突’的效应不同于正电荷或负电荷的作用,联线放在磁针的上方或者磁针的下方,针的偏转方向是相反的。……”

  奥斯特还观察到当把导线在水平面上改变轴线方向时,磁铁也跟着转动;如果将磁针改用铜的、玻璃的、或树脂的针,则电流导线对这些针不产生影响。因此,他在小册子中对他所发现的现象作了一些解释:“电冲突仅仅对物质中的磁粒子发生作用,对非磁性物质,电冲突只是穿透过去,而磁粒子抵抗这种穿透,所以物体就被推动。”很明显,电冲突不只存在于导体联线本身,而是广泛散布到周围空间。从已有事实中,我们可以得出这样的结论,电冲突是沿着圆周形状作用的,否则联线放在磁针上面或磁针下面时,针的偏转方向就不会相反了。”

  奥斯特发现了电流的磁效应,但是对他本人如何评价却发生 了争论。争论是从一封信引起的,信是他当时的一个学生汉司亭(Hansteen)后来写给法拉第的。信中写道:“奥斯特教授是一个有 天才的人,但他是一个不适当的实验者,他不善操纵仪器。……他 试着使导线与磁针垂直,而针并没有显出运动。在结束讲课后,他 使用为其它实验准备的一个更大的电池说:‘趁着电池活力还大, 再做一次实验’,这时电池联线平行于磁针,磁针出现了剧烈的摆动。他十分激动而感到迷惑……。因此有人不无道理地说:‘这个 伟大发现是产生了,而他却在事故中摔了筋斗’。对于作用力应该是正交于磁针的概念,他和别人一样,事前一点也没有考虑。”不过 正如拉格朗日评论过牛顿有类似情况时说的一句话:“这种偶然性总是遇到配得上的人”。

  这封信之所以受到重视是因为汉司亭是这个发现的直接证人,不过信是在1857年写的,实验已经过去了30多年而且是在奥斯特逝世6年之后了。奥斯特在他的小册子中,叙述上的确有些杂乱并缺乏定量的结果,但是他也确实研究了一些现象,例如这种效应与电流强度的关系,与距离的关系,包括与不同材料的关系等这种效应是沿着圆周方向也是一个有力的推论。里纳德(P.Lenard)在他所写的《科学伟人录》中指出:当时奥斯特桌上放着磁针、电池和导线,说明他正在寻找这个效应,不能看成是意外事故中偶然的发现。

  无论当时的真正情况如何,电流的磁效应是科学史上的一个重要发现,它把电学和磁学从此联系起来了。

参考文献

  1. 邱利军,于曰浩.电工基础.化学工业出版社,2011.03.
  2. 孔凡东.电路基础.西安电子科技大学出版社,2011.02.
  3. 电磁场.西安交通大学网络课程
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