电流是电荷流动的快慢,储存的电荷是留在物体上的电荷有多少。 前者的单位是安培,描述的是运动;后者的单位是库仑,描述的是数量。
本课把用电子转移解释带电和由电荷和时间计算电流合在一起,因为一个讲储存的电荷,另一个讲移动的电荷。
为什么容易混淆?
两者都与电荷有关,而日常语言又把它们模糊化。手机电池用“mAh”标示,看起来像电流,其实是电荷。带电的气球“有电”,但里面并没有电流流动。
一个有用的比喻是水箱和水管。水箱里存的水像储存的电荷,水管里每秒流过的升数像电流。
这些概念怎样联系起来?
带电物体通过导线放电时,它储存的电荷以电流的形式离开。平均电流是 I = Q ÷ t,其中 Q 是离开的电荷,t 是所用的时间。
另外,稳定的电流通过导线时,并不会在导线里储存任何东西。电荷从一端流入、从另一端流出,所以导线上的总电荷保持为零。
例题
一个带电的金属球顶储存了 4.0 × 10⁻⁶ C(4.0 微库仑)。它通过导线在 0.020 s 内放完电。求平均电流。(数据为虚构。)
第 1 步,说出每个量: 4.0 × 10⁻⁶ C 是储存的电荷 Q。时间是 t = 0.020 s。
第 2 步,关系式: 平均电流 I = Q ÷ t。
第 3 步,计算: I = 4.0 × 10⁻⁶ ÷ 0.020 = 2.0 × 10⁻⁴ A。
第 4 步,用合理的形式表示: 2.0 × 10⁻⁴ A = 0.20 mA。
第 5 步,检验: 0.20 mA 就是 0.00020 A,而 0.00020 × 0.020 = 4.0 × 10⁻⁶ C,与储存的电荷一致。
这个电流很小,但 0.20 mA 的电流如果持续流动一小时,会移动 0.72 C(0.00020 × 3600)。日常物体上储存的电荷很少,但持续很久的电流可以移动很多电荷。
要留意的错误
学生常说电流越大,储存的电荷就越多。
错误答案: 球 X 的电流比球 Y 大,所以它储存的电荷更多。
电流告诉你电荷移动得多快,而不是储存了多少。很少的电荷被很快放出,得到的电流会比很多的电荷被慢慢放出更大。
纠正的方法是选单位之前先问:“这是速率还是数量?”如果是速率,单位是 A;如果是数量,单位是 C。
自我检测
先试做,再打开每题的答案。
1. 手机电池标示为 3000 mAh。把它当作由稳定电流提供的电荷。这是多少库仑?
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3000 mAh = 3.0 Ah = 3.0 A 持续 1 小时。Q = 3.0 × 3600 = 10 800 C。
2. 有学生说:“电池储存电流。”请把这句话改对。
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电池储存化学能,并能使电荷流动。电流是电荷的流动速率,它不会被储存。
3. 一个储存了 9.0 × 10⁻⁶ C 的球在 0.030 s 内放完电。求平均电流,用 mA 表示。
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I = 9.0 × 10⁻⁶ ÷ 0.030 = 3.0 × 10⁻⁴ A = 0.30 mA。
接下来学什么?
本模块的课程到此结束。用电荷与电流练习题检验每一项技能,并回到电荷与电流模块查看学习顺序。
电荷、电流这几个名称相近的量,最适合当面一问一答来分清。一对一线上物理补习的老师会用你手机或充电器上的例子,请你说出每个量是速率还是数量。