物理学毕业论文--电流及其效应的探讨

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1、电流及其效应的探讨作者：李健伟指导老师：宋海珍摘要：本文首先给出电流及电流密度的概念，进一步介绍了稳恒电流、极化电流、磁化电流、位移电流和超导电流的产生机制和性质，提出超导体能够维持超导电流的条件，最后通过霍尔效应、热电效应、压电效应和约瑟夫逊效应说明电流及其效应的广泛应用。关键词：极化电流磁化电流位移电流超导隧道效应0　引言众所周知，电流具有三大效应：热效应、化学效应和磁效应。热效应是指电流通过导体要发热，如电灯、电炉、电焊等；化学效应是指电流通过导电的液体会使液体发生化学变化，产生新的物质，如电解、电镀和电离等；磁效应是指给导线或绕在软铁芯周

2、围的导体通电，导线周围或软铁芯就会产生磁性，如电铃、蜂鸣器、电磁扬声器等都是利用电流的磁效应制成的，这些应用都是利用了持续移动的载流子产生的效应，因为持续移动的载流子能够形成宏观电流，那么，不是持续流动的载流子能不能形成宏观电流呢？如在平衡位置附近做往复振动的带电粒子，电介质中绕原子核做环绕运动的电子等。它们也是运动的电荷，只是不是沿特定方向运动的电荷。实验表明，它们也能产生宏观电流。电（磁）介质在外场作用下能够形成极化（磁化）电流，甚至有些特殊介质无需外场只需沿特定方向受力或自身有温度差时就会在表面感应出极化电荷，这就是压电效应和热电效应。某些

3、特殊材料在一定条件下能够产生零电阻效应，利用零电阻时导体内电流能够长久持续的特点可以制成性能强、耗能低的强磁体。灵活运用这些电流可以制成霍尔电流传感器、超导量子干涉器等可以测量微弱电流、脉冲和磁场的设备。本文通过对各种各样电流及其效应的探讨，将对这些电流的研究及应用有着深远的意义。第13页（共13页）1　电流及电流密度1.1　电流大量电荷有规则的定向运动形成电流，电荷的载流子在金属导体中为自由电子，在电解质溶液中为正离子和负离子等，电流的方向是正电荷流动的方向，也即是负电荷流动的反方向。通过导体横截面的电量q跟通过这些电量所用的时间t的比值，叫做

4、电流强度，用I表示，电流强度的一般定义是：（1）其中是t到t+时间间隔内通过导体横截面的电量。（1）式表示t时刻的电流强度，用来描述该时刻电流的强弱。它只能描述电流通过导体各个截面的总体特征，所以它不是点函数，不是矢量。1.2　电流密度矢量元电流密度方向面元法线方向θ图1电流密度为了更具体的描述导体内电流在各点的分布状况，需用电流密度来描述。电流密度矢量用表示，导体中各点电流密度的方向表示该点电流的方向，电流密度的大小等于该点电流方向垂直的单位截面通过的电流强度，既单位时间通过单位垂直截面的电量。如图1所示，为导体中某一面元，为通过的元电流强度，

5、元电流方向与面元法线方向的夹角为。在元电流垂直方向上的投影面元处电流密度大小为：（2）电流密度单位为。由（2）式可得通过面元的微分电流强度为：（3）通过某一面元s的电流强度（4）第13页（共13页）（4）表示通过某一面积的电流就是通过该面积的电流密度的通量，而通过一个闭合曲面s的电流可以表示为（5）1.3　电流的连续性方程由电流密度矢量的定义可知，（5）式实际上表示净流出封闭面的电流，也即是单位时间从封闭面内向外流出的正电荷的电量。根据电荷守恒定律，通过封闭面流出的电量应等于封闭面内电荷q的减少。因此（5）式应该等于q的减少率，即：（6）这一关系

6、成为电流的连续性方程。此方程表示，电流线发出于或终止于电荷变化处，发出电流线处正电荷必减少，电流线终止处正电荷必增加，在无电荷变化处电流线连续。2　各种各样的电流2.1稳恒电流一般来说，电流密度是随时间而变化的，它既是空间坐标的函数又是时间的函数，各点的都不随时间而变化的电流叫做稳恒电流。要维持恒定电流，必须满足空间各处电荷密度都不随时间变化的稳恒条件。电荷密度不变化并不意味着电荷没有移动，只是所有电荷都在移动，它们原来的位置又被后续的载流子所取代而已。根据稳恒条件，稳恒电流场中任一闭曲面s内的电荷q都不随时间而变，因此连续性方程成为：（7）上式

7、是稳恒条件的数学表达式。2.2极化电流当电介质放入外电场时，由于外场作用电介质会发生极化，极化分为无极分子的位移极化和有极分子的取向极化。极化伴随着电荷的移动，当外场恒定是，极化是一个短暂的过程，电荷移动至一定程度受力平衡时将不再移动。因此在外场恒定条件下，只产生了极化电荷，极化电荷并不形成电流。第13页（共13页）而把电介质放入变化着的外场中时，电荷的位置将随着电场的变化而不断发生变化。随着电荷位移的增大或减小，就会形成一种沿正方向或负方向的电流，因此，外电场的变化引起极化电荷位移的变化，等效于电荷的移动，形成的电流称为极化电流。极化电流的实质

8、是极化电荷在变化的外电场下不断发生移动形成的电流。极化电流的大小由介质的极化率和外电场的大小决定，极化电流方向在不断随外电场方向变化而变