常规电流被规定为从电池的正极出发,绕电路一圈,回到负极。金属中的电子朝相反方向移动,从负极到正极。题目会同时用到这两个概念,有时就在同一句话里。
本课接在由电荷和时间计算电流之后:公式给出电流的大小,这一课给出它的方向。
为什么会有两个方向?
早期的科学家在还不知道电流由什么携带时,就为它选了一个方向。他们选的是从正到负。后来发现,金属中的电荷载体是电子,而电子带负电,所以它们朝相反方向移动。
这个约定保留了下来。所有电路图、箭头、规则和考试答案都使用常规电流。只有当题目问到粒子本身时,才用电子的运动。
导线里究竟是什么在动?
金属导线中,自由电子本来就分布在整条导线上,正离子则固定在原位。接上电池后,所有电子一起朝正极漂移。
所以开关一合上,灯泡就亮了。电子不需要先从电池一路跑过来。
例题
0.25 A 的电流(按常规方向)沿顺时针方向流过一个由电池、开关和灯泡组成的简单回路。电池的正极在左边。(数据为虚构。)说出电子的方向,以及 4.0 s 内通过灯泡的电荷。
第 1 步,常规电流: 它从正极出发,所以从电池左侧开始,沿顺时针方向经过灯泡。
第 2 步,电子: 它们朝相反方向移动,也就是逆时针,从负极移向正极。
第 3 步,电荷: Q = I × t = 0.25 × 4.0 = 1.0 C。
第 4 步,检验: 1.0 C ÷ 4.0 s = 0.25 A,与题目给的电流一致。
答案: 电子沿逆时针方向移动,4.0 s 内有 1.0 C 通过灯泡。
要留意的错误
学生常把图上的箭头画成电子的方向,或声称电流在灯泡之后变小了。
错误答案: 电流从负极流出,有一部分在灯泡里被用掉,所以灯泡之后的安培计读数较小。
那个箭头表示的是电子运动,不是常规电流;而且灯泡取走的是能量,不是电流。
纠正有两部分。把电流箭头画成从正极到负极。然后记住,串联电路中每一点的电流都相同,所以两个安培计的读数一样。
自我检测
先试做,再打开每题的答案。
1. 导线中的常规电流从左向右流。电子朝哪个方向移动?
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从右向左,与常规电流相反。
2. 有学生说灯泡瞬间就亮,是因为电子从电池飞奔到灯泡。请解释真正发生的事。
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自由电子本来就分布在整条导线上,包括灯丝里面。开关合上时它们同时开始漂移,所以灯泡几乎立刻有反应。
3. 灯泡前面的安培计读数是 0.40 A。在同一个串联电路中,放在灯泡后面的安培计读数是多少?为什么?
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0.40 A。 电流不会被用掉。串联回路中每一点每秒通过的电荷量相同。
接下来学什么?
要在图上正确标出方向,你需要一套可靠的画法,这在一致地使用电路符号中讲解。电荷与电流模块展示了它与本课题其他部分的关系。
方向的问题,当面讲很容易讲清楚,独自做却很容易出错。我们的一对一线上物理补习会留出时间,把一个电路一步一步讲通。