# 电流与电路

> IB 物理 SL · IB 物理 SL
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-physics-sl-u2-current-and-circuits/

我们覆盖 IB 物理 SL 考试要求的电流定义、常规电流与电子流动的区别、I=Q/t 关系、标准电路符号以及基础串联电路特性。

**先修:** [电荷的基本性质](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-physics-sl-u2-current-and-circuits/); [物理测量中的国际单位制单位与前缀](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-physics-sl-u1-si-units-measurement/)

## 学习目标

- 将电流定义为导体中的电荷流动速率
- 区分常规电流与电子的流动方向
- 应用 I=Q/t 关系求解定量问题
- 识别标准电路符号并解读简单串联电路图

## 电流的定义

电流描述的是每秒钟有多少电荷流过导电导线中的固定点。在金属导体中，载流子是在金属晶格中随机运动的自由电子，这些电子的净流动就形成了可测量的电流。

**电流** — 单位时间内通过导体横截面积的净电荷量

*记法:* $I = \frac{\Delta Q}{\Delta t}$

*例:* 2 A 的电流意味着每秒钟有 2 库仑的电荷流过电路中的某一点

> **warning**
>
> 注意电流是标量，尽管我们会提到流动的“方向”，但它不遵循矢量加法规则。

**例题:** 如果一个 0.3 A 的恒定电流在电路灯泡中持续流动 2 分钟，求流过灯泡的总电荷量。

1. 首先将时间从分钟转换为国际单位制单位（秒）：

   $$2 \text{ min} = 2 \times 60 = 120 \text{ s}$$
2. 变形电流公式求解总电荷量：

   $$\Delta Q = I \times \Delta t$$
3. 代入给定数值：

   $$\Delta Q = 0.3 \times 120 = 36 \text{ C}$$

> **考试提示:** 代入 I=Q/t 公式前务必将时间转换为秒，考试题经常给出以分钟或小时为单位的时间来误导你。

## 常规电流与电子流动

早期电学模型假设正电荷是可移动的载流子，由此定义了常规电流从电源正极流向负极。实际上在金属导线中，只有带负电的电子可以移动，因此电子的流动方向与常规电流完全相反。

**考试命令词**

IB 考试题经常使用以下术语来考察你的理解：

- **Conventional current direction** — 始终定义为沿整个电路从正极流向负极，与实际载流子类型无关

- **Electron flow direction** — 仅适用于金属导体，流动方向为从负极流向正极

**例题:** 将一根铜导线连接到 1.5 V 电池的正负极之间，说明该导线中常规电流和电子的流动方向。

1. 常规电流遵循历史上的正电荷模型：通过导线从电池正极流向负极
2. 电子流动遵循负电载流子的实际运动规律：通过导线从电池负极流向正极

**概念自测**

测试你对流动方向的理解：

1. 连接到电池的导线中，常规电流的流动方向是？

   - 从负极流向正极
   - 从正极流向负极
   - 没有固定方向
   - 与电子流动方向相同

   *解析:* 这是所有电路计算中使用的常规电流标准定义。

## 标准电路符号

所有 IB 物理 SL 电路图都使用一套固定的标准符号来表示元件，你不需要画出电池或灯泡的真实外观。SL 考试要求你能够识别并画出所有要求的电路符号。

| 元件名称 | 电路符号描述 |
| --- | --- |
| 电池单体 | 两条平行直线，较长的代表正极，较短的代表负极 |
| 电池组 | 多个相连的电池单体符号 |
| 灯/灯泡 | 内部带有十字的圆形 |
| 电阻 | 一个矩形框 |
| 开关（断开状态） | 线路上的断点，带有一个倾斜的操作杆 |
| 电流表 | 内部带有字母 A 的圆形 |
| 电压表 | 内部带有字母 V 的圆形 |
| 导线节点 | 两根导线连接处的实心圆点 |

**例题:** 画出一个包含1个电池单体、1个断开的开关、1个灯泡和1个串联电流表的简单电路，并标注所有元件。

1. 从电池单体开始，用 + 号标注正极
2. 将电池的一个极连接到断开的开关符号上
3. 将开关的另一端连接到灯泡符号上
4. 将灯泡连接到电流表符号，最后用导线回到电池的负极
5. 确认所有元件都连接在一个完整的单一路径中

> **tip**
>
> 如果你画出非标准符号，Paper 2 会被扣分，所以反复练习这8个符号直到可以熟练画出。

## 基础串联电路规则

串联电路是没有分支的单一闭合回路，因此相同的电流流过电路中的每一个元件。载流子没有其他可选路径，因此回路中任意位置都不会产生或损失电荷。

**推导:** 证明串联电路中所有位置的电流都相等

*起点:* 电荷守恒定律

1. 电路中电荷不能被创造或消灭
2. 没有分支可以分流电荷
3. 每秒钟进入导线任意一点的电子数量必须等于离开该点的电子数量

*结论:* 电流 I 的值在串联电路的所有位置都完全相同

**例题:** 一个串联电路包含一个电池、两个电阻和一个读数为 1.2 A 的电流表，求第二个电阻的电流是多少？

1. 回忆串联电路所有位置的电流都相等的规则
2. 电流表测量的是单回路中的总电流
3. 第二个电阻的电流等于电流表的测量值，即 1.2 A

## 常见错误

- **错误做法:** 直接使用以分钟或小时为单位的时间代入 I=Q/t 公式
  - 原因: 时间的国际单位是秒，最终得到的电流值会有很大偏差，导致你丢失步骤分
  - 正确做法: 代入任何电流或电荷方程前，务必将所有时间值转换为秒
- **错误做法:** 声称常规电流从负极流向正极
  - 原因: 这是电子的流动方向，不是所有电路计算通用的约定方向
  - 正确做法: 除非题目明确要求电子流动方向，否则所有电路分析都默认使用正到负的常规电流方向
- **错误做法:** 画出非标准的电流表电路符号
  - 原因: IB 评卷员会对无法识别或非标准的元件符号扣分
  - 正确做法: 所有电流表图示都使用内部带有大写字母 A 的标准圆形符号
- **错误做法:** 认为串联电路中电流流过灯泡后会被“消耗掉”
  - 原因: 电荷是守恒的，载流子不会在能量传递给灯泡的过程中被消灭
  - 正确做法: 灯泡前后的电流完全相同，只有电势能被转化为光能和热能
- **错误做法:** 混淆电池单体和电池组的符号
  - 原因: 电池单体是单个电源，电池组是多个相连的单体，二者的标准符号略有不同
  - 正确做法: 单个电池单体画两条平行直线（一长一短），多节电池组重复该图案

## 速查表

| 物理量 | 公式 | 国际单位 |
| --- | --- | --- |
| 电流 | $I = \Delta Q / \Delta t$ | 安培（A） |
| 电荷 | $\Delta Q = I \times \Delta t$ | 库仑（C） |
| 时间 | $\Delta t = \Delta Q / I$ | 秒（s） |
| 串联电路规则 | 所有位置的电流都相等 | 无 |

## 下一步

你现在已经掌握了 IB 物理 SL 中电流与基础电路的基础定义和规则。这些知识是后续学习电势差、欧姆定律、并联电路分析和电功率计算的必备前置内容。这些概念在 Paper 1 和 Paper 2 中占比都很高，所以请完成相关练习题巩固理解后再继续学习。掌握这些基础内容也可以避免你在本单元后续处理更复杂的多元件电路问题时出现连锁错误。

---

来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-physics-sl-u2-current-and-circuits/