鱼塘死鱼之谜--电流及电流密度在线视频

同学们好

据报道

在珠三角地区经常发生雷雨过后

输电杆塔附近的鱼塘会出现大量的死鱼

这是为什么又如何解决这个问题呢

今天我们就和大家一起来解开这个鱼塘死鱼之谜

也就是我们今天要学习的内容

电流和电流密度

我们从上一章的学习已经知道

当电荷静止的时候

它会产生一个静电场

也就是静电场的源是静止的电荷

从今天开始电荷开始运动

首先考虑最简单的一种情况

电荷是匀速运动的

这里的匀速运动指的是

电荷运动的速度大小不变

方向也不变

当电荷匀速运动的时候

它形成的电流也是恒定的

这个电流叫恒定电流

周围会激发一个恒定的电场

这里的恒定都指的是不随时间而变化

因此恒定电场的源是

匀速运动的电荷或许说恒定的电流

或许换一句话说匀速运动的电荷

或许说恒定的电流会产生不随时间变化的电场

而电荷的定向移动会形成电流 电流的大小

指的是单位时间内流过导体横截面积的电量

用数学表达式来表示是I=dq/dt

这里的I之所以大写

就因为这个电流是不变的

也就是恒定电流 电流的方向

指的是正电荷移动的方向

因此恒定电流指的是大小保持不变的直流电流

电流有三种 传导电流

运流电流和位移电流

其中传导电流是最常见的

指的是电荷在导电媒质中的定向运动

这里的导电媒质有可能是固态也有可能是液态

因此通常我们所讲的某某导线里面的电流就指的是传导电流

第二种电流 运流电流也叫对流电流

是指带电粒子在真空

或许在稀薄气体中的定向运动

例如常见的日光灯

灯管内的稀薄气体被电离以后会发射电子

电子在电场的作用下被加速打到管壁的荧光物质上会发光

很显然这里的电子在电场的加速作用下会形成定向运动

这个定向运动也会形成电流

这个电流就叫运流电流

很显然

它是在稀薄的气体中运动的

因此它的媒质是气态或许真空

所以请问大家传导电流和运流电流能同时存在吗

很显然不能

因为传导电流的媒介是固态媒质或液态媒质

而运流电流的媒介是其他媒质或许真空

所以它们两个电流不能同时存在

第三种电流位移电流

指的是当电场随时间变换的时候而产生的假想电流

这个电流我们留到后面再跟大家详细地解释

根据我们刚才的分析电流只能描述流过导体截面积的总电流的强弱

但是在很多的工程应用中电流并不是均匀分布的

所以此时我们需要知道电流

在媒质内的详细分布情况

例如直流电流是均匀分布的

但是在高频的情况下

当电流流过同一条导线的时候

电流在截面积上不再是均匀分布

它往往集中在导线的一个非常薄的表层里头

此时我们需要引入一个新的物理量电流密度

来详细地描述电流的分布情况

电流密度指的是流过垂直于电流流向的

单位面积的电流强度

电流密度是一个矢量

它的方向就是该点的电流方向

它的大小等于流过垂直于电流的

单位面积的电流强度

电流有三种存在的方式

因为电流是由电荷的运动所形成的

而电荷有三种方式

体电荷、面电荷和线电荷

所以电流也有三种方式

体电流、面电流和线电流

下面我们就请大家来看这个电流的三种方式

首先请大家看我手上拿的这是一个体积

如果电流是这么流

从这里流过这一个面的话

这一个面就是导体的截面

流过这个截面积的电量就是电流

很显然

此时的电荷是体分布的

所以这个体分布的电荷的定向移动形成的电流就是体电流

请大家注意这一个面是有一定的厚度的

这个就是截面积的厚度

假设把这一个厚度慢慢的减小减小

减小到厚度可以忽略不计的时候

此时它的截面积就变成了这样一个面

看这一个面的厚度可以忽略不计

那么此时的电流就只在这一个面上面流动了

因此这一个电流就叫面电流

很显然

此时的电荷应该分布在这一个面内

面分布的电荷的定向移动就形成了一个面电流

再请大家继续看

这一个面是有一定的宽度的

这一个就代表着它的宽度

假设我这一个宽度慢慢地减小减小

减小到可以忽略不计的时候

此次的这个面就变成了这样的一条线

那么此时的电荷就是线分布的

这一个线分布的电荷的定向移动形成的电流就叫线电流

所以体电流指的是体分布的电荷的定向移动所形成的电流

它的电流密度指的是

流过垂直于电流流向的单位面积的电流

设这个代表我们刚才所说的那个体积

在这个体积内随意取一个面ΔS

流过垂直于ΔS的电流叫ΔI的话

因此此时流过ΔS的电流密度就等于ΔI和ΔS的比值

当ΔS趋向于零的时候

这一个面积就变成一个点

所以任意一点的电流密度就

等于dI比上dS

J的单位是安培每平方米

从这个量纲就可以看出来

此时的电流密度指的是面密度

它的大小用dI/dS来描述

它的方向和电流的方向是一致的

因此在整个这一个面积ΔS内的总电流

就应该等于J的面积积分

这一个电流是由体分布的电荷所形成的

设电荷体密度的运动速度为v的话

电流密度J应该等于ρ和v的乘积

第二种方式的电流面电流

指的是面分布的电荷定向移动所形成的电流

此时电流仅仅分布在媒质的某一个表层内

换一句话说可以忽略这个体积的厚度

也就是这一个Δh可以忽略不计

此时的这一个电流就是一个面电流

它的电流密度用K来表示的话

K就等于这一个长度ΔL内所流过的电流ΔI

因此K就等于ΔI和ΔL的比值

当ΔL趋向于零的时候

此时K就等于dI/dL

K的大小等于单位长度的电流

因此实际上它代表的是一个线电流

K的方向依然和电流的方向是相同的

这一个电流是由面电荷的定向移动形成的

设这个面分布的电荷的速度为v的话

K就应该等于它的面密度和速度的乘积

第三个电流 线电流

指的是线分布电荷的定向移动所形成的电流

此时它的截面积的宽度可以近似的为零

面就变成了一条线

假设这一个线分布的电荷的速度为v的话

I会等于线密度τ和速度v的乘积

因此设每一个微电流上的电流为元电流的话

元电流也有了三种表达形式

体电流元是JdV分布于一定的体积上

面电流元是KdS

而线电流元是IdL

这三个源电流的表达形式

很显然和源电荷的表达方式是相互对应的

下面我们就回到课前的鱼塘死鱼之谜

这个鱼塘往往位于高压杆塔的附近

假设这个是一个杆塔

在杆塔的上方有避雷器

避雷器通过防雷引下线再接

埋在地下的接地体

而这一个鱼塘就会位于接地体的附近

雷雨天气的时候

如果这一根杆塔遭了雷击

雷击的电流就经过避雷器

通过避雷引下线就接到了接地体

此时

雷电流通过接地体会向周围进行辐射

而我们的鱼塘就位于接地体的附近

而雷电流通常比较大

一般会在几十到几百kA之间

这么大的雷电流通过这一个防雷引下线

迅速地辐射到接地体附近的大地

当接地体周围有鱼塘的时候

雷电流就会通过接地体向鱼池进行扩散

而鱼池里面一定会有水

生活在水里面的鱼就会有电流通过

当这个电流的幅度超过鱼的耐受电流的时候

鱼就会被电死 那么怎么来破解呢

它的解决的方法有这么三个

第一个我们可以在接地体和鱼塘之间加一个绝缘的挡板

请大家看

左边是杆塔和杆塔附近的接地体

这里有一个鱼塘

也就是接地体和鱼塘位于杆塔的同一边

此时我们在接地体和鱼塘中间加一个绝缘层

这个绝缘层会阻断通过接地体辐射过来的雷电流

因此鱼塘里面的鱼的雷电流就会大大地减小

从而保护了鱼塘里面的鱼

第二种方法

把接地体往鱼塘相反的方向移

本来鱼塘跟接地体是在杆塔的同一侧

现在我们把接地体移到杆塔的另外一侧去

那么此时通过接地体辐射到鱼塘的电流也会大大地减小

第三种把第一种和第二种方法综合起来运用

就是既把接地体移到鱼塘的相反方向

还在接地体和鱼塘中间加一个绝缘层

这两种方法的综合运用可以大大地减小通过鱼的雷电流

从而很好地保护了鱼塘中的鱼