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电路

AP 物理 C:电磁学 · 知识点 11

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8:44

电路

你打开开关,灯立刻亮了。于是电子肯定是在导线中飞速奔跑——对吧?完全不是。在那根铜导线内部,载流子爬得极慢……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

11.1

电流

教学大纲

学习目标 11.1.A: 描述电荷载流子在介质中的运动。

  • 11.1.A.1 电流是电荷通过导线横截面的速率。
    • 公式: $I = \dfrac{dq}{dt}$
    • 11.1.A.1.i 导体内的电流由以平均漂移速度穿过导体的电荷载流子组成。
      • 公式: $I = nqv_d A$
    • 11.1.A.1.ii 电路中的电荷在电势差(有时称为电动势,或 $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$))的作用下移动。
    • 11.1.A.1.iii 如果导线某段中的电流为零,则导线中电荷载流子的净运动也为零,尽管单个电荷载流子的速度不为零。
  • 11.1.A.2 电流密度是单位面积上的电荷流量。
    • 公式: $I = \int \vec{J} \cdot d\vec{A}$
    • 11.1.A.2.i 电流密度与导体内电荷载流子的运动有关。
      • 公式: $\vec{J} = nq\vec{v}_d$
    • 11.1.A.2.ii 电流密度是一个矢量量。
    • 11.1.A.2.iii 导体两端的电势差会在导体内产生电场,该电场与导体的电阻率和电流密度成正比。
      • 公式: $\vec{E} = \rho\vec{J}$
  • 11.1.A.3 如果已知电流密度的函数,可以通过对电流密度在面积上积分来确定总电流。
    • 公式: $I_{\text{tot}} = \int \vec{J}(r) \cdot d\vec{A}$
  • 11.1.A.4 虽然电流是标量,但它具有方向。由于其方向相对于载流子而非空间而言,因此电流不遵循矢量加法规律,也没有矢量分量。
    • 11.1.A.4.i 规定常规电流的方向为正电荷移动的方向。
    • 11.1.A.4.ii 在常见电路中,电流实际上是由电子(负电荷载流子)的移动产生的。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Electric current 电流 is the rate at which charge passes a cross-section of wire, $I=\dfrac{dq}{dt}$, measured in amperes 安培. Conventional current points the way positive charge would move. Microscopically, a current is a slow drift of many carriers:

$$I=nqv_dA,$$

with $n$ the number of carriers per volume, $q$ the charge each carries, $v_d$ the drift velocity 漂移速度, and $A$ the cross-sectional area 横截面积.

Charge carriers drift slowly through a conductor to make a current
Charge carriers drift slowly through a conductor to make a current

Worked example. A copper wire with $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ and $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ carries $1.7\ \text{A}$. Then $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ – the carriers drift slower than a snail, even though the signal travels near light speed.

Current density 电流密度 is charge flow per unit area, $\vec{J}=nq\vec{v}_d$, linked to the field driving it by $\vec{E}=\rho\vec{J}$. In general $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$; if $J(r)$ varies across the wire, integrate it over the cross-section to get the total current. One care point: current has a direction along its wire, but it is a scalar 标量 – currents do not add as vectors, and there are no "components of current".

An oscilloscope: voltage against time reveals how current and charge evolve in a circuit
An oscilloscope: voltage against time reveals how current and charge evolve in a circuit
探索

驱动电流

构建一个简单的回路并观察电流从电池出发绕其流动。

词汇 训练
English 中文 拼音
Electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ 电流 diàn liú
amperes/ˈæmpeəz/ 安培 ān péi
drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ 漂移速度 piāo yí sù dù
cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ 横截面积 héng jié miàn jī
Current density/ˈkʌrənt ˈdensɪti/ 电流密度 diàn liú mì dù
scalar/ˈskeɪlə/ 标量 biāo liàng
11.2

电路

教学大纲

学习目标 11.2.A: 描述电路的行为。

  • 11.2.A.1 电路由电气回路组成,这些回路可以包括导线、电池、电阻器、灯泡、电容器、电感器、开关、电流表和电压表。
  • 11.2.A.2 闭合电气回路是电荷可能流动的闭合路径。
    • 11.2.A.2.i 闭合电路是指电荷能够流动的电路。
    • 11.2.A.2.ii 开路是指电荷无法流动的电路。
    • 11.2.A.2.iii 短路是指电荷能够流动且电势差无变化的电路。
  • 11.2.A.3 单个电路元件可以是多个电气回路的一部分。
  • 11.2.A.4 电路原理图是用于描述和分析电气电路的图示。
    • 11.2.A.4.i 电气电路的特性取决于其组成元件的物理排列方式。
    • 11.2.A.4.ii 电路元件具有通用符号,用于绘制原理图。可变元件通过在标准元件符号上添加对角线划线箭头来表示。(符号:电池、灯泡、开关、电容器、电阻器、电流表、电压表、电感器。)

边界说明: 除非另有说明,所有电路原理图均使用常规电流绘制。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A circuit is a set of closed loops built from wires, batteries, resistors, lightbulbs, capacitors, inductors, switches, and meters; charge can flow only around a closed path. One element can belong to several loops at once – that is what makes multi-loop problems interesting. Every analysis starts by reading the circuit diagram 电路图: trace each loop and identify which elements share the same current (series 串联) and which share the same potential difference (parallel 并联).

探索

构建串联和并联电路

在串联中,相同的电流流过每个灯泡,电压进行分配;在并联中,每个支路获得全部电压。切换模式以观察灯泡亮度的变化。

词汇 训练
English 中文 拼音
circuit diagram/ˈsɜːkɪt ˈdaɪəɡræm/ 电路图 diàn lù tú
series/ˈsɪəriːz/ 串联 chuàn lián
parallel/ˈpærəlel/ 并联 bìng lián
11.3

电阻、电阻率与欧姆定律

教学大纲

学习目标 11.3.A: 使用物体的物理属性描述其电阻。

  • 11.3.A.1 电阻是衡量物体阻碍电荷运动程度的物理量。
  • 11.3.A.2 具有均匀几何形状的电阻器的电阻与其电阻率和长度成正比,与其横截面积成反比。
    • 公式: $R = \dfrac{\rho\ell}{A}$
    • 11.3.A.2.i 电阻率是材料的基本属性,取决于其原子和分子结构,用于量化该材料阻碍电荷运动的程度。
    • 11.3.A.2.ii 导体的电阻率通常随温度升高而增加。
    • 11.3.A.2.iii 对于具有均匀几何形状但由电阻率沿长度方向变化的材料制成的电阻器,其总电阻由下式给出:$R = \int \dfrac{\rho(\ell)\,d\ell}{A}$。

学习目标 11.3.B: 描述电路中元件的电学特性。

  • 11.3.B.1 欧姆定律描述了电流、电阻以及电路导电元件两端的电势差之间的关系。
    • 公式: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
    • 11.3.B.1.i 遵循欧姆定律的材料在所有电流下均保持恒定电阻,这类材料被称为欧姆材料(ohmic materials)。
    • 11.3.B.1.ii 欧姆材料的电阻率不随温度变化而变化(即保持恒定)。
    • 11.3.B.1.iii 电阻器也可以将电能转化为热能,这可能会改变电阻器本身及其周围环境的温度。
    • 11.3.B.1.iv 可以通过绘制元件中电流作为其两端电势差函数的图像,利用该图像的斜率来确定欧姆电路元件的电阻。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Resistance 电阻 measures how strongly an object opposes charge flow. It grows with the material's resistivity 电阻率 and the conductor's length, and shrinks with its area:

$$R=\frac{\rho\,\ell}{A}.$$

Ohm's law 欧姆定律 relates the current through an element to the potential difference across it:

$$I=\frac{\Delta V}{R}.$$
A longer conductor has more resistance; a wider one has less
A longer conductor has more resistance; a wider one has less

Worked example. Stretch a wire to double its length: the volume is fixed, so the area halves, and $R=\rho\ell/A$ becomes $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ – four times the resistance. An element is ohmic 欧姆性 if $R$ stays constant (a straight line through the origin on an $I$–$\Delta V$ graph); a lightbulb filament, which heats up, is not.

探索

应用欧姆定律

欧姆定律 $V=IR$:对于固定电阻,电流与电压成正比。提高电阻时,相同的电压推动的电流更小。

词汇 训练
English 中文 拼音
Resistance/rɪˈzɪstəns/ 电阻 diàn zǔ
resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ 电阻率 diàn zǔ lǜ
Ohm's law/əʊmz lɔː/ 欧姆定律 ōu mǔ dìng lǜ
ohmic/ˈəʊmɪk/ 欧姆性 ōu mǔ xìng
11.4

电功率

教学大纲

学习目标 11.4.A: 用功率描述电能向电路输入、输出或在电路内部的转移。

  • 11.4.A.1 电路元件转移、转换或耗散能量的速率取决于该元件中的电流及其两端的电势差。
    • 公式: $P = I\Delta V$
    • 公式: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
  • 11.4.A.2 灯泡的亮度随功率增大而增加,因此可以利用功率对电路中灯泡的亮度进行定性预测。

边界说明: AP物理C:电与磁仅要求学生分析机械能和电能的转移,尽管学生应了解电能也可以以热能的形式耗散。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A charge $q$ falling through a potential difference $\Delta V$ gives up energy $q\Delta V$, so the rate of energy transfer in an element is

$$P=I\,\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}.$$

In a resistor all of it becomes heat. Use the form whose quantities you actually know – and use power to rank lightbulb brightness: brighter = more power, not necessarily more resistance. In series, the larger resistance is brighter ($P=I^2R$, same $I$); in parallel, the smaller one is ($P=\Delta V^2/R$, same $\Delta V$).

探索

读取I-V特性曲线

功率为$P=IV$。电阻的I-V曲线是直线,但灯泡的曲线会因发热而弯曲,且其电阻增大。I-V曲线下方面积与所输送的能量相关。

11.5

复合直流电路

教学大纲

学习目标 11.5.A: 描述电路中多个电阻连接时的等效电阻。

  • 11.5.A.1 电路元件可以串联和/或并联连接。
    • 11.5.A.1.i 串联连接是指任何通过其中一个电路元件的电荷都必须依次通过该连接中的所有元件,且没有其他可用路径。串联中每个元件的电流必须相同。
    • 11.5.A.1.ii 并联连接是指电荷可以通过两条或多条路径中的一条。每条路径两端的电势差是相同的。
  • 11.5.A.2 电路中的一组电阻可以被分析为一个具有等效电阻 $R_{\text{eq}}$ 的单个电阻。
    • 11.5.A.2.i 一组串联电阻的等效电阻等于各个电阻之和。
      • 公式: $R_{\text{eq},s} = \sum_{i} R_i$
    • 11.5.A.2.ii 一组并联电阻的等效电阻的倒数等于各个电阻倒数之和。
      • 公式: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_{i} \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii 当电阻并联时,电荷可用的路径数量增加,这组电阻的等效电阻减小。

学习目标 11.5.B: 描述包含有阻导线和内阻电池(电源)的电路。

  • 11.5.B.1 理想电池的内阻可忽略不计。理想导线的电阻可忽略不计。
    • 11.5.B.1.i 良导体的导线电阻通常可以忽略,因为其电阻远小于电路中其他元件的电阻。
    • 11.5.B.1.ii 只有当电路中包含其他具有电阻的元件时,导线的电阻才可以被忽略。
    • 11.5.B.1.iii 如果电池是理想的,它所能提供的电势差即为电池无电流流过时两端测得的电势差,有时也被称为其电动势($\mathrm{emf}$,记作 $\mathcal{E}$)。
  • 11.5.B.2 非理想电池的内阻可以视为一个与理想电池及电路其余部分串联的电阻器的电阻。
  • 11.5.B.3 当内阻为 $r$ 的非理想电池中有电流流过时,其两端的电势差会相对于无电流时的电势差降低。
    • 公式: $\Delta V_{\text{terminal}} = \mathcal{E} - Ir$

学习目标 11.5.C: 描述电路中电流和电势差的测量方法。

  • 11.5.C.1 安培表用于测量电路中特定点的电流。
    • 11.5.C.1.i 安培表必须与正在测量电流的元件串联连接。
    • 11.5.C.1.ii 理想安培表的电阻为零,因此不会影响与其串联的元件中的电流。
  • 11.5.C.2 伏特表用于测量电路中两点之间的电势差。
    • 11.5.C.2.i 伏特表必须与正在测量电势差的元件并联连接。
    • 11.5.C.2.ii 理想伏特表的电阻为无穷大,因此没有电荷流过它们。
  • 11.5.C.3 非理想安培表和伏特表会改变被测电路的性质。

边界声明: 除非另有说明,所有电池、导线和仪表均假设为理想状态。不同电势差的电池并联连接的电路将不在考核范围内。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Reduce resistor networks to an equivalent resistance 等效电阻: series resistances add ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$), while parallel resistances add as reciprocals ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ – always less than the smallest branch). Collapse the network step by step to find the battery current, then expand back out to find each element's current and voltage.

Worked example. A $12\ \text{V}$ battery drives a $4.0\ \Omega$ and a $2.0\ \Omega$ resistor in series: $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$, $I=2.0\ \text{A}$, the voltages split $8.0\ \text{V}$ and $4.0\ \text{V}$, and the $4.0\ \Omega$ resistor dissipates $P=I^2R=16\ \text{W}$.

Resistors in parallel combine to a smaller equivalent resistance
Resistors in parallel combine to a smaller equivalent resistance

Real batteries are not ideal. Model a battery as an ideal battery 理想电池 of emf $\varepsilon$ in series with its own internal resistance 内阻 $r$. When current flows, some emf is used up inside, so the terminal voltage 端电压 – what a voltmeter across the battery actually reads – drops:

$$\Delta V_{\text{terminal}}=\varepsilon-Ir.$$

Worked example. A battery with $\varepsilon=12\ \text{V}$ and $r=0.50\ \Omega$ supplies $2.0\ \text{A}$: the terminals sit at $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. With no current, a voltmeter reads the full $12\ \text{V}$.

Meters: an ammeter 电流表 goes in series at the point whose current you want (ideal ammeter: zero resistance); a voltmeter 电压表 goes in parallel across the element (ideal voltmeter: infinite resistance). Non-ideal meters disturb the circuit they measure – a real ammeter adds series resistance, a real voltmeter steals current.

探索

串联与并联

将灯泡并联连接,并与串联布线比较电流和亮度。

词汇 训练
English 中文 拼音
equivalent resistance/ɪˈkwɪvələnt rɪˈzɪstəns/ 等效电阻 děng xiào diàn zǔ
ideal battery/aɪˈdɪəl ˈbætəri/ 理想电池 lǐ xiǎng diàn chí
internal resistance/ɪnˈtɜːnl rɪˈzɪstəns/ 内阻 nèi zǔ
terminal voltage/ˈtɜːmɪnl ˈvəʊltɪdʒ/ 端电压 duān diàn yā
ammeter/ˈæmiːtə/ 电流表 diàn liú biǎo
voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ 电压表 diàn yā biǎo
11.6

基尔霍夫回路定则

教学大纲

学习目标 11.6.A: 通过应用基尔霍夫回路定律来描述电路或电路元件。

  • 11.6.A.1 简单电路中能量变化可以用电荷在电路元件内部电势差中移动来表示。
    • 公式: $\Delta U_E = q\Delta V$
  • 11.6.A.2 基尔霍夫回路定律是能量守恒的结果。
    • 11.6.A.2.i 基尔霍夫回路定律指出,单个闭合回路中所有电路元件两端的电势差之和必须等于零。
      • 公式: $\sum \Delta V = 0$
    • 11.6.A.2.ii 电路中各点的电势值可以通过绘制以回路内位置为横坐标、电势为纵坐标的图像来表示。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Charges moving through potential differences exchange energy ($\Delta U_E=q\Delta V$), and energy must balance around any closed path. That is Kirchhoff's loop rule 基尔霍夫回路定则:

$$\sum\Delta V=0\ \text{around any closed loop}.$$

Sign discipline wins these problems: crossing a battery from $-$ to $+$ is $+\varepsilon$; crossing a resistor with the assumed current is $-IR$ (against it, $+IR$). Write one equation per independent loop.

探索

基尔霍夫回路定律

围绕任何闭合回路,电压升高等于电压降落。对每次穿越进行分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
Kirchhoff's loop rule/ˈkɜːkhɒfs luːp ruːl/ 基尔霍夫回路定则 jī ěr huò fū huí lù dìng zé
11.7

基尔霍夫节点定则

教学大纲

学习目标 11.7.A: 应用基尔霍夫节点定律描述电路或电路元件。

  • 11.7.A.1 基尔霍夫节点定律是电荷守恒定律的推论。
  • 11.7.A.2 基尔霍夫节点定律指出,单位时间内进入节点的总电荷量必须等于单位时间内离开该节点的总电荷量。
    • 公式: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Kirchhoff's junction rule 基尔霍夫节点定则 is conservation of charge at a junction 节点:

$$\sum I_{\text{in}}=\sum I_{\text{out}}.$$
Current divides at a junction: what flows in equals what flows out
Current divides at a junction: what flows in equals what flows out

Together the two rules solve any multi-loop circuit: assign a current to each branch, write junction equations, then loop equations, and solve. A negative answer just means that current flows opposite to your assumed direction.

Two loop equations and one junction equation solve this two-battery circuit
Two loop equations and one junction equation solve this two-battery circuit

Worked example. In the circuit above, $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ with $R_1=1.0\ \Omega$ on the left, $\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ with $R_2=1.0\ \Omega$ on the right, and a shared middle resistor $R_3=2.0\ \Omega$ carrying $I_3=I_1+I_2$ (junction rule). The two loop equations are

$$12=I_1+2(I_1+I_2)=3I_1+2I_2,\qquad 9=I_2+2(I_1+I_2)=2I_1+3I_2.$$

Solving: $I_1=3.6\ \text{A}$, $I_2=0.60\ \text{A}$, so $I_3=4.2\ \text{A}$ through the middle. Check with the second loop: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.

探索

分流电流

连接两条并联支路,观察电流在节点处的分配情况。

词汇 训练
English 中文 拼音
Kirchhoff's junction rule/ˈkɜːkhɒfs ˈdʒʌŋkʃn ruːl/ 基尔霍夫节点定则 jī ěr huò fū jié diǎn dìng zé
junction/ˈdʒʌŋkʃn/ 节点 jié diǎn
11.8

电阻-电容(RC)电路

教学大纲

学习目标 11.8.A: 描述多个电容器的等效电容。

  • 11.8.A.1 电路中一组电容器可以被视为一个具有等效电容 $C_{\text{eq}}$ 的单个电容器进行分析。
    • 11.8.A.1.i 串联电容器组的等效电容的倒数等于各单独电容倒数之和。
      • 公式: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_{i} \dfrac{1}{C_i}$
    • 11.8.A.1.ii 串联电容器组的等效电容小于其中最小电容器的电容值。
    • 11.8.A.1.iii 并联电容器组的等效电容等于各单独电容之和。
      • 公式: $C_{\text{eq},p} = \sum_{i} C_i$
  • 11.8.A.2 由于电荷守恒定律,串联中的每个电容器极板上的电荷量大小必须相同。

学习目标 11.8.B: 描述包含电阻和电容器组合的电路行为。

  • 11.8.B.1 RC 电路中电容器上的电荷或电阻中的电流可以通过基尔霍夫回路法则导出的基本微分方程来描述。
    • 公式: $\mathcal{E} = \dfrac{dq}{dt}R + \dfrac{q}{C}$
  • 11.8.B.2 时间常数 ($\tau$) 是 RC 电路的一个显著特征。
    • 11.8.B.2.i RC 电路的时间常数是衡量电容器充电或放电快慢的物理量,定义为 $\tau = R_{\text{eq}}C_{\text{eq}}$。
    • 11.8.B.2.ii 对于正在充电的电容器,时间常数代表其电荷从零增加到最终渐近值约 63% 所需的时间。
    • 11.8.B.2.iii 对于正在放电的电容器,时间常数代表其电荷从充满电状态减少到初始值约 37% 所需的时间。
  • 11.8.B.3 随着电容器的充放电过程,电容器两端的电势差以及包含该电容器的支路中的电流均随时间变化,但在经过长时间间隔后都会达到稳态。
    • 11.8.B.3.i 刚接入电路时,未充电的电容器表现得像一根导线,电荷可以轻易流向或流出电容器的极板。
    • 11.8.B.3.ii 随着电容器充电,电容器两端电势差的变化会影响极板上的电荷、电容器所在支路的电流以及电容器储存的电势能。
    • 11.8.B.3.iii 电容器两端的电势差、电容器所在支路的电流以及电容器储存的电势能均随时间变化,并渐近地趋近于稳态条件。
    • 11.8.B.3.iv 经过长时间后,正在充电的电容器趋于完全充电状态,此时电容器两端达到最大电势差,且电容器所在支路中的电流为零。
    • 11.8.B.3.v 带电电容器开始放电的瞬间,电容器上的电荷量和储存的能量开始减少。
    • 11.8.B.3.vi 随着电容器放电,电容器上的电荷量、电容器两端的电势差以及电容器所在支路的电流均逐渐减小,直至达到稳态。
    • 11.8.B.3.vii 在充电或放电时间远大于时间常数之后,电容器及相关电路支路可以使用稳态条件进行建模。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Discharging a capacitor: τ = RC
Charging a capacitor (RC)

Capacitor networks reduce like resistors but with the rules swapped: parallel capacitances add ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$), series add as reciprocals – and capacitors in series must carry the same charge on each plate, by conservation of charge. Use the equivalent capacitance 等效电容 to analyse the network, then expand back.

In an RC circuit RC电路, Kirchhoff's loop rule gives the differential equation

$$\varepsilon=R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C},$$

whose solutions are exponentials with time constant 时间常数 $\tau=RC$:

$$q(t)=Q\big(1-e^{-t/RC}\big)\ \text{(charging)},\qquad q(t)=Q\,e^{-t/RC}\ \text{(discharging)},\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/RC}.$$

The current is largest at the first instant and decays – it never "waits" for the capacitor. Learn the two limits: at $t=0$ an uncharged capacitor acts like a plain wire (maximum current); after a long time it is fully charged, no current flows in its branch, and it acts like a break. In any steady state 稳态, cover the capacitor branch with your finger, solve the resistor circuit, then read the capacitor's voltage from the element it sits across.

The charge on a capacitor decays exponentially as it discharges
The charge on a capacitor decays exponentially as it discharges

Worked example. With $R=5.0\ \text{k}\Omega$, $C=200\ \mu\text{F}$, and a $10\ \text{V}$ battery: $\tau=RC=1.0\ \text{s}$; initial current $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$; after one time constant the charge is $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$, about $63\%$ of full charge, and the current has fallen to $37\%$ of its initial value.

An electronic circuit built on a breadboard
A real circuit on a breadboard: a resistor and capacitor together set how fast the voltage rises and falls
探索

通过电阻的电荷

观察电容器逐渐充满电以及充电电流逐渐趋近于零。

词汇 训练
English 中文 拼音
equivalent capacitance/ɪˈkwɪvələnt kəˈpæsɪtəns/ 等效电容 děng xiào diàn róng
RC circuit/ˌɑː ˈsiː ˈsɜːkɪt/ RC电路 RC diàn lù
time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ 时间常数 shí jiān cháng shù
steady state/ˈstedi steɪt/ 稳态 wěn tài
11.8

考试技巧

English
  • Relate current to charge flow $I=\tfrac{dQ}{dt}$ and use $J=\sigma E$, $R=\tfrac{\rho L}{A}$ for resistance.
  • Apply Kirchhoff's laws (junction: charge; loop: energy) with consistent sign conventions.
  • Analyse RC circuits with calculus: charging/discharging give exponentials with time constant $\tau=RC$.
  • Combine resistors (series add, parallel reciprocal) and track power $P=IV=I^2R$.
  • At $t=0$ a capacitor acts like a wire; after a long time ($t\to\infty$) it acts like an open branch.

Common mistakes

  • Choosing one direction for every current and then forgetting the signs. A negative answer just means the current flows the other way; keep it.
  • Getting the loop-rule sign of a resistor wrong. Crossing a resistor in the direction of the current is a drop of $IR$.
  • Saying a fully charged capacitor still carries current. In the steady state it acts as a break in the circuit.
  • Using $RC$ as the half-life. After one time constant the current has fallen to $37\%$; halving takes $RC\ln 2$.
  • Ignoring the internal resistance when the question gives one: terminal voltage $= \varepsilon - Ir$.

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逐步完成,配合即时检查练习。

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