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《电路分析导论(原书第12版)》一2.4 电流

简介:

本节书摘来华章计算机《电路分析导论(原书第12版)》一书中的第2章 ,第2.4节,(美) Robert L.Boylestad 著 陈希有 张新燕 李冠林 等译更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

2.4 电流

先有鸡还是先有蛋?这个问题也可以用来讨论电压和电流的先后。有些人交替地使用电流与电压这些词汇,好像它们都是能量的来源。现在该是把事情弄清楚的时候了。
施加的电压是产生电流的一种机理,电流是对所施加电压的响应。
在图2.7a中,将铜导线放在实验室绝缘的凳子上。假想我们用与导线垂直的平面切割导线,产生圆形截面,如图2.7b所示。我们会惊讶地发现,所有自由电子大体上是以两个相反的方向穿越横断面,即从左到右,或从右到左。实际上,这些在室温下产生的自由电子都是以随机方向不停地运动的。在任意瞬间,从一个方向通过假想横断面的电子数量与从另一方向通过的电子数量是相等的。所以,在任一方向的净电流都是零。对其他良导体来说情况也是如此。
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现在,为了让电子流动来做功,要给它规定一个方向,并且能够控制它的流动。这需要在导线两端施加电压,强迫电子朝着电池的正极运动,如图2.8所示。导线被放置在电池两极之间的瞬间,导线中的自由电子便朝着电池的正极方向流动,而导线中的正离子则做简单的振动,其平均位置保持不变。电子不断地从导线中流走,电池的负极不断地提供新的电子,它就像是供应电子的电源,以保持电子的持续运动。到达正极的电子被正极吸收,而通过电池的化学反应,新的电子又在电池的负极被分离出来,以补偿不断离开的电子。
为了进一步说明这一过程,考虑图2.9所示的情况。用铜导线将灯泡与电池连接起来,这就构成了最简单的电路。在连接完成的一瞬间,带有负电荷的自由电子便朝着正极运动,而铜导线中留下的正离子在平均位置发生简单振动。电子流过灯泡,通过摩擦使灯丝发热,当灯丝达到炽热时,便发出所期待的光。
总之,施加电压可以使电子沿特定方向流动。用下面的定义来量化电子的流动:如果在1s时间内,有6.242×1018个电子(即1C负电荷)通过图2.9中的假想平面,则称产生的电流是1A。
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根据上述描述,当使用库仑作为电荷的单位时,可以用下式来计算以安培为单位的电流:image
式中,I是电流,单位为安培(A);Q是电荷,单位为库仑(C);t是时间,单位为秒(s)。
大写字母I是从法语单词intensité(意思是电流)而来。式(2.5)表明:在相等的时间间隔内,通过导线的电荷越多,电流便越大。
根据式(2.5),电荷和时间两个量可以分别按下列式来计算:image
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例2.3若每64ms时间内通过图2.9假想平面的电荷是0.16C,求以安培为单位的电流。
解:由公式(2.5),得image

例2.4如果电流是5mA,那么4×1016个电子通过图2.9中的假想平面需要多长时间?
解:计算以库仑为单位的电荷image
由公式(2.7),得image

小结:在一个电气或电子系统中,施加电压或电位差是产生电流的一种“压力”,电流是对这种“压力”做出的反应。
人们经常用相似的力学原理来解释电流现象,例如用庭院中的水管。在缺少任何压力的情况下,水静静地停在水管内,没有明确的流动方向,这就像在缺少电压的情况下,电子没有净运动方向一样。然而,当打开水龙头加上水压时,水便被迫在水管中流动,产生水流。类似地,给电路施加电压,电荷就沿净运动方向定向流动,产生电流。
图2.9说明了电荷流动方向的两种表示方法。一种是用正电荷流动的方向来表示,称为传统方向;另一种是用电子流动的方向来表示。由于种种原因,本书使用前者。在教学和工程中广泛使用的都是传统方向,例如,在电子器件的符号和计算机仿真软件中所表示的电流方向就是如此。电流方向的争议来自发现电时人们所做的假设,当时人们认为在金属导体中流动的是带正电荷的粒子,后来发现是带负电荷的电子在导体中运动。可以明确地说,采用传统方向并不会给后续内容的阐述带来影响。image
安全考虑
我们也要时刻意识到电的危险性。即使是相对较弱的电流通过人体,也可能导致严重后果。实验表明,人体对几毫安的电流会产生不良反应。不过,大多数人在短时间内能够承受大于10mA的电流而不会发生严重后果。即便如此,超过10mA的电流还是应该被认为是危险电流。实际上,50mA的电流可以引起严重的电击,超过100mA的电流可以夺去人的生命。在大多数情况下,干燥时人体的皮肤电阻是足够高的,它限制了在日常电压下通过身体的电流,使其在相对安全的范围内。然而,当出汗、洗澡使皮肤变得湿润时,或当皮肤受伤时,皮肤的电阻便会大幅度下降,在相同电压下,电流可能会上升到危险的量值。因此要牢牢记住,水和电不能有接触。为此,在家庭中都装有安全防护设备(例如,接地故障断路器(GFCI)见第4章),它是专门为在潮湿空间如浴室和厨房使用电力而设计的。对电我们要遵守规则,不要畏惧。

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