电力是电荷流经金属的过程。导体中的所有电荷,无论是自由的还是被束缚的,都被认为是静止的。电荷是物质的一种属性,正因为有了电荷,物质才能感受到并产生电和磁的影响。运动的电荷产生电流。在某些特定情况下的许多场合都会产生这种电流。如果将电场施加到电荷上,它就会受到力的作用。如果它是自由的,它就会移动,从而产生电流。自然界中存在两种类型的电荷:正电荷和负电荷。具有相同电性的电荷相互排斥,而具有相反电性的电荷相互吸引。电荷的国际单位制(S.I.)单位是库仑(C)。
电流
让我们假设一个很小的区域,其中正负电荷都可以在这个区域的前后方向上流动。设 q+ 为沿前向流过该区域的净正电荷量,q– 为沿前向流过该区域的净负电荷量。设 t 为时间间隔。在给定的时间间隔 t 内,沿前向流过该区域的总电荷量为 q = q+ – q-。对于稳恒电流,q 与 t* 成正比。
> I = q/t
>
> 其中,
> – I 是电流
> – q 是电荷量
> – t 是所用时间
它表示沿前向流过该区域的电流,如果值为负,则意味着电流沿后向流动。当电流不稳恒时,我们这样定义它。在时间间隔 Δt [即在时间 t 和 (t+Δt) 之间] 期间,流过导体的净电荷量为 ΔQ。那么,导体在时间 t 的电流由 Δt 趋于零时 ΔQ 与 Δt 的比值的极限给出。
> I(t)\equiv \lim\limits_{\Delta t \to 0} \frac {\Delta Q}{\Delta t}
电流的国际单位是安培,用字母 A 表示。安培定义为每秒有一库仑的电荷流过某一点。
导体中产生电流是由于其中自由电荷的运动。如果施加电场,电电荷 会受到力的作用。大气层的高层(电离层)中也包含带电粒子。在原子中,带正电的原子核和带负电的电子结合在一起,因此它们不能自由移动。固体金属通常被认为是良导体,在这些材料中,大多数电子可以自由移动。当施加电场时,它们会产生电荷。在金属导体中,原子彼此紧密结合,因此电流是由固定正离子背景下的带负电的电子承载的。
金属拥有大量的自由电子(大约每立方米 10^23 个自由电子)。这也被称为金属的电子密度。这个值因不同的金属而异。在没有电场的情况下,导体中的电子由于其热能而随机运动。由于所有电子都在随机方向上运动,因此净热速度为零。因此,在没有电场的情况下,电子在特定方向上没有净运动。由于没有特定的电子运动,产生的电流为零。
!Movement of electrons in a conductor导体中电子的运动
让我们想象一下,将一个电场 (E) 施加到一个半径为 R 的圆柱形金属导体上。考虑两个与圆柱体半径相同的薄圆盘,在一个圆盘上散布正电荷 +Q,同样在另一侧放置负电荷 -Q。将圆盘连接到圆柱体的两个平坦表面。这就产生了一个从正电荷指向负电荷的电场。由于该电场,电子将向 +Q 加速(即与施加的电场方向相反)并移动以中和这些电荷。电子因电场而产生的这种移动将产生电流。因此,导体中会在短时间内有电流,之后就没有电流了。
!Flow of electrons in a conductor导体中电子的流动
电荷流动的例题
问题 1:估算铜导体中的自由电子密度为 8.5 x 10^28 m^-3。一个电子漂移穿过一根 3.0 米长的导线从一端到另一端需要多长时间?导线的横截面积为 2.0 x 10^-6 m^2,它承载的电流为…(原文截断)