電流

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電流(Electric Current)

目錄

什麼是電流[1]

  電荷在電路中沿著一定方向移動,電路中就有了電流。電流通過導體時會產生各種效應,可以根據產生的效應的大小來判斷電流的大小。電流通過燈泡時,燈絲變熱、發光,這是電流的熱效應;電流還可以發生磁效應。下麵利用小燈泡做實驗,利用電流熱效應來判斷電流:把一隻小燈泡用導線跟一節乾電池連通,再把這隻小燈泡跟兩節乾電池連通,註意觀察這兩種情況下小燈泡的發光亮度。如圖1、圖2所示,連一節乾電池時,小燈泡發光較暗;連兩節乾電池時,小燈泡發光較亮。對同一小燈泡,越亮就表示通過它的電流產生的效應越大,也就是電流越大。

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

  電流是由電荷的移動形成的,在一定時間內,通過導體某一橫截面的電荷越多,即電量越多,電流就越大。電流的大小用電流強度(簡稱電流)表示,電流強度等於1S內通過導體橫截面的電量。國際上通常用字母I表示電流,如果用Q表示通過導體橫截面的電量,t表示通電時間,那麼I=Q/t半,如果式中電量Q的單位用C(庫侖),時間t的單位用s(秒),電流J的單位就是安培,簡稱安,符號是A。如果在1S內通過導體橫截面的電量是1c,導體中的電流就是1A。

  1A=1C/1s

  在相同的時間里,通過橫截面S的電荷少,電流就小;通過橫截面S的電荷多,電流就大。如果在10s內通過導體橫截面的電量是20C,那麼導體中的電流

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

電流的方向[2]

  電流不但有大小,而且有方向。規定正電荷運動的方向為電流的實際方向。對於簡單的電路,不難根據物理知識判斷正電荷運動的方向,從而確定電流的實際方向。對於一些複雜的電路,某一元件上流過的電流的實際方向就難以確定。此外,如果電流的實際方向隨時間不斷地變化,則更無法標明它的實際方向。為解決這一問題,引入了參考方向的概念。所謂參考方向就是預先假設的電流方向。這樣一來,這個參考方向就可能與電流的實際方向相同,也可能與電流的實際方向相反。也就是說:

  ①電流的實際方向:正電荷運動的方向。

  ②電流的參考方向:人為規定的電流方向。

  ③實際方向與參考方向的關係:根據電流的參考方向,I>0,表示電流的實際方向與參考方向相同;I<0,表示電流的實際方向與參考方向相反,如圖所示。

  Image:电流的参考方向与实际方向的关系.jpg

  電路分析所涉及的電流均指參考方向的電流。在分析計算電路時,必須在電路中先標出電流的參考方向,否則,計算結果的正負是毫無意義的。

電流的磁效應[3]

  1820年丹麥哥本哈根大學的奧斯特(HansChristianOersted1777—1851)發現了電流的磁效應。這段歷史很有趣,並且我們今天也還能從中獲得一些教益。現在擇要介紹一下:有一次當屋外有閃電時,奧斯特看到室內的指南針發生了不規則的擺動。在這個啟示下,他猜想是電流使磁針擺動,在課堂上進行了二個實驗:將電池的兩個電極用導線短接,把導線靠近指南針,導線是水平放置並與磁針成直角,因而沒有觀察到對磁針的影響。當他結束講演,將導線放到與磁針平行的位置時,卻立即發現磁針產生了明顯的偏轉。他召集了一些同事,並換了一個大一些的電池,重覆進行這個實驗給大家看。1820年6月,他寫了一本小冊子《電流對磁針作用的實驗》,私人印發給一些科學家和科學團體。這本書中記載了他觀察到的現象:“接通電池兩極的金屬導線可簡稱聯線,……在聯線距磁針約3/4英寸時,磁針的偏轉約為45度,若距離增加則針的偏轉減小,偏轉的大小與電池的強弱有關係。……這種效應可以透過玻璃、金屬、木材、樹脂、石頭等。……‘電衝突’的效應不同於正電荷或負電荷的作用,聯線放在磁針的上方或者磁針的下方,針的偏轉方向是相反的。……”

  奧斯特還觀察到當把導線在水平面上改變軸線方向時,磁鐵也跟著轉動;如果將磁針改用銅的、玻璃的、或樹脂的針,則電流導線對這些針不產生影響。因此,他在小冊子中對他所發現的現象作了一些解釋:“電衝突僅僅對物質中的磁粒子發生作用,對非磁性物質,電衝突只是穿透過去,而磁粒子抵抗這種穿透,所以物體就被推動。”很明顯,電衝突不只存在於導體聯線本身,而是廣泛散佈到周圍空間。從已有事實中,我們可以得出這樣的結論,電衝突是沿著圓周形狀作用的,否則聯線放在磁針上面或磁針下麵時,針的偏轉方向就不會相反了。”

  奧斯特發現了電流的磁效應,但是對他本人如何評價卻發生 了爭論。爭論是從一封信引起的,信是他當時的一個學生漢司亭(Hansteen)後來寫給法拉第的。信中寫道:“奧斯特教授是一個有 天才的人,但他是一個不適當的實驗者,他不善操縱儀器。……他 試著使導線與磁針垂直,而針並沒有顯出運動。在結束講課後,他 使用為其它實驗準備的一個更大的電池說:‘趁著電池活力還大, 再做一次實驗’,這時電池聯線平行於磁針,磁針出現了劇烈的擺動。他十分激動而感到迷惑……。因此有人不無道理地說:‘這個 偉大發現是產生了,而他卻在事故中摔了筋斗’。對於作用力應該是正交於磁針的概念,他和別人一樣,事前一點也沒有考慮。”不過 正如拉格朗日評論過牛頓有類似情況時說的一句話:“這種偶然性總是遇到配得上的人”。

  這封信之所以受到重視是因為漢司亭是這個發現的直接證人,不過信是在1857年寫的,實驗已經過去了30多年而且是在奧斯特逝世6年之後了。奧斯特在他的小冊子中,敘述上的確有些雜亂並缺乏定量的結果,但是他也確實研究了一些現象,例如這種效應與電流強度的關係,與距離的關係,包括與不同材料的關係等這種效應是沿著圓周方向也是一個有力的推論。里納德(P.Lenard)在他所寫的《科學偉人錄》中指出:當時奧斯特桌上放著磁針、電池和導線,說明他正在尋找這個效應,不能看成是意外事故中偶然的發現。

  無論當時的真正情況如何,電流的磁效應是科學史上的一個重要發現,它把電學和磁學從此聯繫起來了。

參考文獻

  1. 邱利軍,於曰浩.電工基礎.化學工業出版社,2011.03.
  2. 孔凡東.電路基礎.西安電子科技大學出版社,2011.02.
  3. 電磁場.西安交通大學網路課程
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