一、电场学2
（二）、直流电学
直流电是电炁流的定向流动。
1、电流、电流计、安培计。
电流。电荷有规则的定向移动形成电流。习惯上以正电荷流动的方向作为电流的方向，与电子运动方向相反。产生电流就必须同时具备三个条件：有可以移动的电荷（自由电子、离子），有能够使电荷定向移动的电场，有一个闭合回路。稳定流动的电流叫做直流电、恒定电流，否则叫做交流电、交变电流。
电荷是不能够脱离物质而独立存在的。电荷的定向移动实际上就是带电的物质微粒在作定向移动。在导电的固体里，能够定向移动的是自由电子。电子总是逆电场方向移动，从电势低的地方移向电势高的地方。在导电的液体和气体里，能够定向移动的是离子，正离子顺着电场的方向移动，从高电势处移向低电势处，负离子逆着电场的方向移动，从电势低的地方移向电势高的地方。在不导电的物质里，由于没有电荷（自由电子和离子），所以不能够形成电流。
电流从高电势点流向低电势点的时候是电场作正功，反之是电源作正功。
两个电势不同的物体用导线连接时，由于存在电势差，电荷会作定向流动，形成电流，并且很快达到平衡，这种电流叫做瞬时电流。我们需要的往往是持续电流，就是能够长时间存在的电流。得到持续电流的方法，一是阻止电流流动过快，使电流慢慢流动；二是保持电压。这个跟控制水流是一样的：用水闸和水压维持水的持续流动。电源（电池和发电机）能够同时满足这两个条件。直流电就是稳定流动的电流，电流的方向和电荷流量稳定不变。
电流的大小叫做电流强度，也简称电流，就是电荷流量，等于单位时间t内流过任一横截面的电量Q，用I、i表示：
I=Q/t
电流单位是安培（安、A），是为了纪念法国的物理学家安培。其他电流单位有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA），1安=1库仑/秒=6.25×1018电子电量/秒=10-3KA=103mA=10-6μA。通常用电流表测量电流的方向和大小，用串联法连接。电流表有电流计、安培计、毫安计、微安计等，安培计是用电流计并联一个小值电阻改装而成的，能够测量比较大的电流。
电流密度是电流与电线横截面积之比：
J=I/S
单位是安/平方毫米，表示了电线的通电能力。
炁学揭密：电流的本质是电场炁流的定向流动，实际上就是物体炁子的流动。不同的物体有不同的物体炁子，具有不同的电势，接触时由于炁子的流动就形成了接触电流。自由电子只是炁子流动带动其流动的，就像水流动带动漂浮物流动一样。在电路里，电场是充满整个线路的，电场的流动是即时的，接通就有电流存在。电流的流速是近光速，电荷在导体内是不可能以这样的速度流动的，因为有碰撞和阻力存在。电阻和电开关相当于水闸。电炁流的流动强度叫做电流强度。
电机没有工作时是没有电的。当外力使电机转动时，线圈切割磁力线，磁力线把线圈炁子分离成为阴阳电炁流，形成电势。炁子分离的过程也就是阴阳电荷形成的过程。电荷的电场使两极炁子发生变化，正极的炁子能量升高，负极的炁子能量降低。在接通电路时（用电时），正极的炁子经过导体炁子通道流进负极，使负极炁子能量逐渐升高，同时释放电炁流做功。这个就像两个水池相互通水。
图4.63发电和用电的机理
2、电路。
电路是电荷的通路，是电流所通过的道路、路径，就是有电流通过的导体。
电路的组成。电路是由电源、负载和电线连接起来的一个通电体，总是一个能够闭合的回路，为了安全和计量送电，通常会有一些控制、保护和测量装置，例如开关、保险丝、电表、变压器等）。整个电路叫做全电路，电源以外的那一部分电路叫做外电路，电源为内电路，部分电路是不完整的电路。电路可以用电路图表示。
图4.64电路
电路的计算。包括电路中电位、电压、电动势、电流、电阻、电容等的计算，具体的计算方法有很多种，例如欧姆定律、克希荷夫定律、支路电流法、回路电流法、节点电位法、电路的迭加原理、等效电源定理（等效电压源定理和等效电流源定理及其互换）、四端网络等。
炁学提示：电路是电炁流的通道，电炁流带动电荷流动，就像水流带动水里的杂质流动一样。电路和水路是相似的，水路由水源、水管、水开关、用户、水流组成，电路由电源、电线、电开关、用户（包括电阻、电容、电器等负载）、电流组成。不同的是，电路需要形成一个闭合的回路才能够形成电流，水路通常是一个开放的通道，水管的水压总是比外压大。
3、电源。
电源是将其他能量转变成为电能（电炁流）的装置，是生产电能的物体（产电体、生电体）。常见电源有电池（化学电源，有原电池和蓄电池）和发电机（机械电源）两种，它们能够把化学能、机械能等能量变成电能。光电池能够把光能变成电能，热电偶能够把热能（内能）转变成电能。生物电属于化学电源。电源不是电荷的补给者，而是电荷的搬运工，把电子从高电位处搬到低电位处。电源都是用导体制成的，并且都有正极和负极两个极。正极是高电势极，负极是低电势极。电源形成内电路，电源外的线路形成外电路，内外电路形成一个闭合回路，叫做全电路。
在外电路里，形成电流的实质是自由电子从电源的负极流向正极。但是习惯上总是把电流说成是正电荷从电源的正极流向负极，或者说成是电流从电源的正极流向负极。正电荷顺着电场方向移动，电场力作正功，电势能转变成其它的能。
在内电路里（电源内），对于发电机是自由电子从正极流向负极，在电池里是正离子和负离子分别向两极流动。但是在习惯上总是把电流说成是正电荷从负极流向正极，或者说是电流从负极流向正极。此时电场力作负功，是其它形式的能转变成电势能。
电动势：在电源里有电源力存在。电动势就是电源两极间的最大电势差，是电路在断开时电源的两端电压，反映了电源生产电能的能力。接通电路后的电源电压叫做端电压。电动势的方向是从低电位到高电位，是电位升高的方向。
电源的连接：串联电源的电动势等于各电源电动势的和，并联电源的电动势等于任意一个电源的电动势。常用的是串联电源，在需要大电流而单个电源的电流不宜大的时候，就需要并联电源。
炁学提示：电路系统同水网系统是相似的。正极是能够提供电炁流的极，是物体炁子能量比较高（炁子比较丰富）的极；负极是能够吸纳电炁流的极，是物体炁子量比较低（炁子比较稀薄）的极。电流是炁子流动形成的现象。炁子从高电位处流向低电位处，就形成了电流。电源是能够同时提供高能炁子和低能炁子的物体。就如同水库的水位高才能够供水，水多则水源充足，能够提供更多的水。电池相当于自然水位，发电机相当于用抽水机提高水位，就是说，发电机就是抽电机，是把炁子转变成电炁流然后抽送电炁流用的，被抽走的炁子被工作能量（机械能）补充。机械能转变成为电能，首先是机械炁子转变成电机炁子，然后是电机炁子转变成电能（电炁流）。电流是电场炁流的流动，电荷只是附属现象，如同水流带动漂浮物流动一样。
4、负载。
负载就是用电设备，是消耗电能的装置，也叫做用电器、电器，其作用是把电能变成其他能量（机械能、光能、热能、声音、电磁波、射线能、动力等）。负载就是电灯、电炉、电动机、电脑等，其实就是特殊的导体。耗电量是衡量负载的基本物理量。
炁学提示：负载就是用电炁粒，是把电炁流变成其它炁流和机械能（动能和势能，运动和力）的炁粒。不同的负载有不同的用途，是因为能够转变的能量形式不同。
5、电线。
电线也叫做联接导线，简称导线，其作用是将电源产生的电输送到负载。
炁学提示：电源就像水源，负载就像用水户，电线就像水沟和水管。水管能够引导水，电线能够导电。水管的大小和质量影响输水，电线的大小和质量影响电的输送。电线炁子对电炁流阻力小的是优质电线。
6、电路的连接。
电路的连接有串联和并联两种基本方法。在串联电路里，电流处处相等，电压相加，电阻相加，电压同电阻成正比，电功率同电阻成正比；在并联电路里，电压处处相等，电流相加，电导（电阻的倒数）相加，电流同电阻成反比，电功率同电阻成反比。
7、电导、电阻和欧姆定律。
欧姆定律是由德国的欧姆在1862年发现的：通过给定电路的电流强度同所加的电压成正比。用公式表示如下：I=KV。K叫做电导，反映了导线的导电能力。K越大，导电能力越强。电导的倒数叫做电阻，反映了电线的阻电能力。R=1/K=V/I。R越大，对电流的阻碍越大。R的单位为欧姆、Ω。1908年电学界规定：长度为106.3厘米，横截面积为1平方毫米的水银柱在0℃时的电阻为1欧姆。这个叫做国际标准欧姆。电阻是自由电子和原子碰撞，阻碍了自由电子的移动的结果，对电流起了阻碍作用。
导体的电阻。任何导体都有电阻，其阻值为：R=ρL/S。S为导体的横截面积，L为导体的长度，ρ叫做材料的电阻率。合金的ρ值比所含的纯金属的ρ值大，导体的ρ值一般为0.01~1欧姆·毫米2/米，绝缘体的ρ值为1012~1022欧姆·毫米2/米，人体电阻在1千欧姆以上，大地电阻大约4欧姆。大多数导体的ρ值随着温度升高而增加，也有很多合金的ρ值几乎同温度变化无关，适合用来制造标准电阻。金属的电阻率随磁场的增大而线性增加，这个现象叫做卡皮查线性定律。1911年荷兰的卡曼林·盎聂斯发现，有些纯金属（例如锌、汞、铊、铝、锡、钽、钛等）在几K的低温时，电阻会突然减小到零，这种现象叫做超导电性现象，简称超导现象。
变阻器。这是改变电阻的装置，其作用是通过改变电阻来改变电流，是可变电阻器。常用的有滑动变阻器、转柄变阻器、电灯变阻器、液体变阻器等。
电阻箱。这是一种标有各种电阻值的电阻器，是固定变阻器。
全电路欧姆定律：ε=I（R+r）。ε为电源的电动势，I为电流，R为外电阻（外电路的电阻），r为内电阻（电源的电阻）。当R=0时，I最大，这种状况叫做短路。
电灯是一种特殊的电阻，能够使电能变成光能。灯丝是电阻丝，通电则发光发热，是把电能变成光能和热能的物质。
炁学提示：电阻是炁子能量比电炁流高的物体，