恆定電流

電流定義為電荷的定向運動；其形成條件為導體兩端有電壓。

1、導體提供大量的自由電荷。金屬導體中的自由電荷是自由電子，電解液中的自由電荷是正、負離子。

2、導體兩端加電壓就在導體中建立了電場。

直流定義為方向不隨時間而改變的電流，恆定電流定義為方向和大小都不隨時間改變的電流，因此恆定電流屬於直流電。

基本介紹

• 中文名：恆定電流
• 外文名：constant current
• 學科：物理
• 基本概念：方向和大小都不隨時間改變的電流
• 相關術語：恆定電壓
• 套用：物理學、電磁學

概念

1、電源的作用：提供持續的電壓。

2、形成電流的條件：

（1）存在自由電荷

（2）導體兩端存在電壓

3、恆定電流的概念：大小、方向都不隨時間變化的電流。

4、電流有方向，但它是標量；規定：正電荷定向移動的方向是電流的方向。

註：在電源外部，電流從電源的正極流向負極；在電源的內部，電流從負極流向正極。

恆定電場

恆定電場產生恆定電流，同時，也產生恆定磁場，但恆定電場與恆定磁場的場量是相互獨立的。

由於恆定電場的作用，導體中的自由電荷定向運動的速率增加；而運動過程中會與導體內部不動的粒子碰撞從而減速，因此自由電荷的平均速率不隨時間變化。

基本特性

1、電流強度：

定義式：I=q/t

其中，I：電流強度（A），q：在時間t內通過導體橫截面的電量（C），t：時間（s）

金屬導體中電流的計算式：I=nqSv

其中，n：自由電子數目，q：每個自由電子的電荷量（C），S：導體的橫截面積（m2），v：自由電子在導線內定向移動的速率（m/s)。

2、電動勢：

E=W/q

其中，E：電動勢(V)，W：非靜電力所做的功（J），q：電荷量（C）

電源的參數：

①電動勢：它取決於電池的正負極材料及電解液的化學性質，與電池的大小無關。

②內阻（r）:電源內部的電阻。

3、歐姆定律：

I=U/R

其中，I：導體電流強度（A），U：導體兩端電壓(V），R：導體阻值（Ω）

可以得出：通過導體的電流強度，跟導體兩端的電壓成正比，跟導體的電阻成反比；

注意：
a、公式中的I、U、R三個量必須是屬於同一段電路的具有瞬時對應關係。
b、適用範圍：適用於金屬導體和電解質的溶液，不適用於氣體。在電動機中，導電的物質雖然也是金屬，但由於電動機轉動時產生了電磁感應現象，這時通過電動機的電流，也不能簡單地由加在電動機兩端的電壓和電動機電樞的電阻來決定。

導體的伏安特性曲線：

①伏安特性曲線：用縱坐標表示電流I，橫坐標表示電壓U，這樣畫出的I-U圖象叫做導體的伏安特性曲線。

②線性元件和非線性元件

線性元件：伏安特性曲線是通過原點的直線的電學元件。

非線性元件：伏安特性曲線是曲線，即電流與電壓不成正比的電學元件

4、電阻定律：

R=ρL/S

其中，ρ：電阻率（Ω·m），L：導體的長度（m），S：導體橫截面積(m²）

5、閉合電路歐姆定律：

I =E /(r+R) 或 E=Ir + IR ，也可以是E =U_內 + U_外

其中，I：電路中的總電流（A），E：電源電動勢(V），R:外電路電阻（Ω），r：電源內阻（Ω）

6、電功與電功率：

W=UIt，P=UI

其中，W：電功（J），U：電壓（V），I：電流（A），t：時間（s)，P：電功率（W)

電流做功的實質是電場力對電荷做功，電場力對電荷做功電荷的電勢能減少，電勢能轉化為其他形式的能，因此上式W=UIt是計算電功普遍適用的公式。

單位時間內電流做的功叫電功率，上式P=UI是計算電功率普遍適用的公式。

7、焦耳定律：

Q=I²Rt

其中，Q：電熱（J），I：通過導體的電流（A），R：導體的電阻值（Ω），t：通電時間（s)

電流通過電阻時產生的熱叫電熱，上式是普遍適用的電熱的計算公式。

8、在純電阻電路中：

由於I=U/R，W=Q，因此W=Q=UIt=I²Rt=U²t/R

注意電熱和電功的區別：
a：純電阻用電器：電流通過用電器以發熱為目的，例如電爐、電熨斗、白熾燈等；

b：非純電阻用電器：電流通過用電器以轉化為熱能以外的形式的能為目的，發熱是不可避免的熱能損失，例如電動機、電解槽、給蓄電池充電等。
在純電阻電路中，電能全部轉化為熱能，電功等於電熱，即W=UIt是通用的。

在非純電阻電路中，電路消耗的電能，即W=UIt分為兩部分：

一大部分轉化為熱能以外的其他形式的能（例如電流通過電動機，電動機轉動將電能轉化為機械能）；另一小部分不可避免地轉化為電熱Q=I²Rt。這裡W=UIt不再等於Q=I²Rt，而是W>Q，應該是W=E_其他+Q，電功只能用W=UIt，電熱只能用Q=IRt計算。

9、電源總動率、電源輸出功率、電源效率：

P_總=IE，P_出=IU，η=P_出/P_總

其中，I：電路總電流（A），E：電源電動勢（V），U:路端電壓(V），η：電源效率

10、電路的串/並聯特性

串聯電路的基本特點：電路中各處的電流都相等；電路兩端的總電壓等於電路各部分電壓之和。

並聯電路的基本特點：各並聯支路的電壓相等，且等於並聯支路的總電壓；並聯電路的總電流等於各支路的電流之和。

串聯電路：P、U與R成正比；並聯電路：P、I與R成反比。

電阻關係 ：R_串=R₁+R₂+R₃+…… ；

1/R_並=1/R₁+1/R₂+1/R₃+……；

電流關係： I_串總=I₁=I₂=I_3；

I _並總=I₁+I₂+I_3；

電壓關係 ：U_串總=U₁+U₂+U_3；

U_並總=U₁=U₂=U_3；

電壓分配：U₁/R₁=U₂/R_2；U₁/R₁=U/R

功率分配： P_總=P₁+P₂+P₃（串聯）；

P_總=P₁+P₂+P₃（並聯）；

n個相同電池（E、r）串聯：E_n=nEr=nr

n個相同電池（E、r）並聯：E_n=Er=r/n

微觀解釋

如圖所示，AD表示粗細均勻的一段導體，長為L，兩端加一定的電壓，導體中的自由電荷沿導體定向移動的速率v，設導體的橫截面積為s，導體每單位體積內的自由電荷數n，每個自由電荷的電荷量為q。

AD導體中的自由電荷總數：N=nLs，

總電荷Q=Nq=nLSq，

所有這些電荷都通過橫截面D所需的時間：t=L/V

計算導體AD中的電流∵I=Q/t、t=L/V；∴I=nqsv。

由此可見，從微觀上看，電流與導體中單位體積內的自由電荷數、每個自由電荷量、電荷定向移動的速率、導體的橫截面積有關。