關(guān)于電和電流的一些說明

鄧 熠

(廣東省廣州市第十六中學(xué))

電是靜止或移動(dòng)的電荷(帶電粒子)所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象.在大自然里,電的機(jī)制導(dǎo)致了很多眾所周知的效應(yīng),例如閃電、摩擦起電、靜電感應(yīng)等電現(xiàn)象.如果不是劇烈放電,在大部分時(shí)候,物體是否帶電是看不見的,但我們可以通過別的性質(zhì)加以判斷.例如物理書上說:物體具有吸引輕小物體的性質(zhì)是因?yàn)槲矬w有了電荷,或稱帶了電.

帶電粒子(承載電的單元)包括電子、原子核或者一些離子.一般原子是電中性的,核內(nèi)有幾個(gè)質(zhì)子,核外就有等量的電子繞核運(yùn)行.質(zhì)子帶一個(gè)最小單位的正電荷,電子帶一個(gè)最小單位的負(fù)電荷.一個(gè)電子的電荷量很少,我們常說的1庫侖約等于6.25×1018個(gè)電子的電荷量.離子是指失去了一些電子或得到了一些電子的原子.把食鹽溶解在水里,水中就存在大量的帶正電的鈉離子Na＋和帶負(fù)電的氯離子Cl－,它們比相應(yīng)的原子分別少了和多了一個(gè)電子.

電荷只有兩種,要么帶正電,要么帶負(fù)電.電子多了質(zhì)子少了就帶負(fù)電,電子少了質(zhì)子多了就帶正電.如果一個(gè)物體中質(zhì)子和電子數(shù)量一樣多,即使在其局部因?yàn)殡姾煞植疾痪憩F(xiàn)出帶電的特征,其整體仍是電中性的.

電荷的作用規(guī)律很簡(jiǎn)單:同性相斥,異性相吸.這可以歸納為一句話:如果電荷有思想,那么它們總想回到電中性的狀態(tài),把異性吸引過來結(jié)合為一個(gè)電中性整體,而同種電荷則離得越遠(yuǎn)越好.試想一下,如果同種電荷相互吸引而異種電荷相互排斥,整個(gè)世界就會(huì)變成兩個(gè)團(tuán)體:一堆是質(zhì)子,一堆是電子,原子便無法存在.

為什么有了電荷就能吸引輕小物體呢? 當(dāng)帶電體靠近輕小物體時(shí),無論輕小物體是絕緣體還是導(dǎo)體,帶電體產(chǎn)生的電場(chǎng)都將通過極化作用或感應(yīng)作用,使較小物體近端和遠(yuǎn)端出現(xiàn)異種電荷.輕小物體離帶電體近一些的地方與帶電體的電性相反,遠(yuǎn)端電性相同.庫侖定律告訴我們,電荷間的作用力大小跟點(diǎn)電荷間距離的二次方成反比,顯然,帶電體對(duì)輕小物體近端電荷的引力大于對(duì)遠(yuǎn)端電荷的排斥力,輕小物體受到的合力必然表現(xiàn)為引力.當(dāng)然,帶電體對(duì)“重大物體”也是有吸引作用的,只不過輕小物體更容易被吸起來,其吸引作用更容易被觀察到罷了.

電的性質(zhì)與原子的特征是緊密聯(lián)系的.由于原子太小,不便觀察,在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)大家都是通過一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)原子進(jìn)行猜測(cè)的.

1838年,英國物理學(xué)家法拉第抽去玻璃管中的空氣,并以兩根黃銅棒作電極分別焊到管子的兩端,通電后有光從陽極射出,陰極也發(fā)出微弱的輝光.

1858年,德國物理學(xué)家普呂克(JuliusPlücker)在觀察放電管中的放電現(xiàn)象時(shí),發(fā)現(xiàn)正對(duì)陰極的管壁發(fā)出綠色的熒光.這個(gè)熒光是什么引起了人們長(zhǎng)時(shí)間的爭(zhēng)論.

1897 年,英國物理學(xué)家湯姆遜(JosephJohn Thomson)通過研究粒子在磁場(chǎng)和電場(chǎng)中的射線運(yùn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)其帶電,并測(cè)出了粒子電荷與其質(zhì)量的比,這種粒子就是電子.湯姆遜以此為基礎(chǔ)提出了原子的棗糕模型.他認(rèn)為電子就像棗一樣嵌在正電均勻分布的糕里面(因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候還沒有發(fā)現(xiàn)質(zhì)子).

1909 年,英國物理學(xué)家盧瑟福 (Ernest Rutherford)和他的助手用α粒子轟擊金箔來進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn),但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn),并有極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)超過90°,有的甚至幾乎達(dá)到180°而被反彈回來,這就是α粒子的散射現(xiàn)象.這個(gè)現(xiàn)象宣告棗糕模型的失敗.盧瑟福于1911年提出了含核原子模型,他認(rèn)為在原子中心,有一個(gè)帶正電的、體積很小的,幾乎集中了全部原子質(zhì)量的原子核.在原子核外有與原子核所帶正電荷數(shù)目相同的電子,這些電子在原子核外繞核高速旋轉(zhuǎn).這個(gè)高速旋轉(zhuǎn)是為了抵抗核對(duì)電子的吸引力,正如地球繞著太陽旋轉(zhuǎn)一樣.(但這種說法也存在問題,電子一旦旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),就會(huì)輻射電磁波消耗能量,最終還是會(huì)落到原子核里去,所以電子到底為何這么運(yùn)動(dòng)還沒有徹底弄清楚.同樣,為何把那么多質(zhì)子束縛在一個(gè)小小的核內(nèi)也不是很清楚,這個(gè)束縛力現(xiàn)在被物理學(xué)家稱為強(qiáng)相互作用.)

既然原子是電中性的,為什么摩擦能起電呢? 摩擦起電是一種比較復(fù)雜的現(xiàn)象,摩擦過程中伴隨著物質(zhì)間的接觸和分離、溫度升高、分子的破裂、熱分解、壓電和熱電效應(yīng)等,它們都對(duì)起電產(chǎn)生影響.固體的帶電機(jī)理可用雙電層和接觸電勢(shì)差來說明.兩種物質(zhì)接觸時(shí),由于不同原子得失電子的能力不同,外層電子的能級(jí)不同,會(huì)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移.當(dāng)兩種物質(zhì)緊密接觸(其間距小于0.25×10－10m)時(shí),界面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)大小相等、符號(hào)相反的兩層電荷,稱作雙電層.雙電層間的電勢(shì)差叫作接觸電勢(shì)差.當(dāng)雙電層間的接觸電勢(shì)差達(dá)到一定值后,電子的轉(zhuǎn)移達(dá)到平衡.接觸電勢(shì)差跟物質(zhì)性質(zhì)和表面狀況有很大關(guān)系,固體的接觸電勢(shì)差為10－3～10－1V,最大為1V 左右.金屬與金屬、金屬與絕緣物(電介質(zhì))、絕緣物與絕緣物的界面上都會(huì)出現(xiàn)雙電層.由于存在雙電層,兩個(gè)緊密接觸的物體分開時(shí),就可能帶電.摩擦可使物體間緊密接觸,增大接觸面積,從而增加電荷量;摩擦還使溫度升高,促進(jìn)電子的轉(zhuǎn)移.

上文分析摩擦起電中說到的原子得失電子的能力不同,這個(gè)很重要,我們擴(kuò)展開來講講.雖然原子是中性的,但它們并不穩(wěn)定,它們傾向于丟掉或者獲取更多的電子而形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu).到底為什么喜歡丟掉電子或者獲得更多的電子不容易說清楚,可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為與原子核的吸引強(qiáng)度有關(guān),能力大的總想吸住更多的電子,要把別人的也搶過來;能力弱的核吸引力不夠強(qiáng),往往容易把原來屬于自己的電子弄丟.俄羅斯化學(xué)家門捷列夫用周期表的形式給出了各種元素的原子的這一特性,這實(shí)際上就是元素的化學(xué)特性,原子或者粒子得到或者丟掉電子就是發(fā)生了化學(xué)變化,得到電子為還原,失去電子為氧化.

圖2中原子的大小也可以幫助我們大概理解這種特性.圖上的編號(hào)是元素的核電荷數(shù),即一個(gè)原子中的質(zhì)子和電子的數(shù)量.任意一行中從左到右這個(gè)數(shù)是增加的,就是右邊比左邊有更多的質(zhì)子和電子.原子越小說明核對(duì)電子的吸引力越大.最左邊除了氫之外都是金屬,它們?cè)诳諝庵卸紩?huì)被氧化,很容易失去一個(gè)電子,而送給氧原子.例如鋰在空氣中燃燒生成氧化鋰,即4個(gè)鋰原子和一個(gè)氧分子作用形成2個(gè)氧化鋰分子:

圖2 原子的半徑

你可能注意到了,元素周期表里面最右邊的元素的原子比它左邊的突然“胖”了很多,在整行中既不是最大又不是最小.這一列是惰性氣體,它們不容易和別的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),原子的大小剛剛好,既不愿意丟失電子也不愿意搶別人的電子.

一些非金屬元素的單質(zhì)不是單個(gè)原子,而是多個(gè)原子構(gòu)成的分子,其原因在于它們對(duì)于電子的嗜求.氯氣常用來給游泳池消毒,氯化鈉是我們每天吃的食鹽.氯的元素編號(hào)是17,它很想有更多的電子,如果一個(gè)氯原子周圍都是氯原子,勢(shì)均力敵是奪不過來電子的,它只能和另一個(gè)氯原子合作,每個(gè)原子拿出一個(gè)電子作為公用,這兩個(gè)電子一會(huì)兒在這個(gè)原子核周圍跑跑,一會(huì)兒去另外一個(gè)原子核周圍跑跑.這樣每個(gè)核都感覺自己外面多了一個(gè)電子.氧元素也是如此,我們呼吸的氧氣,基本組成是氧分子,也是兩個(gè)氧原子合作,每個(gè)原子拿出2個(gè)電子共享.空氣中的氮?dú)庖彩莾蓚€(gè)氮原子合作結(jié)合在一起,每一對(duì)氮原子共用3對(duì)6個(gè)電子.

相比這些喜歡更多電子的非金屬,金屬往往容易丟掉電子.金屬原子中的很多電子因?yàn)楹说氖`力不夠強(qiáng)而游離于金屬體內(nèi),這就是自由電子.金屬兩端加上電壓,這些電子就會(huì)定向移動(dòng)形成電流.

下面我們?cè)倩氐轿锢?我們已經(jīng)知道電的最根本來源是質(zhì)子和電子,電荷由不均衡的質(zhì)子和電子構(gòu)成.所以原子核是帶電的,電子也是帶電的,一個(gè)中性的原子丟了電子,會(huì)帶正電.例如前面說到的鋰離子就是鋰原子丟了一個(gè)電子,結(jié)果是核內(nèi)有3個(gè)質(zhì)子,但核外只有2個(gè)電子,總體帶一個(gè)單位正電荷.而此時(shí)的每個(gè)氧離子,則從鋰原子那兒奪得2個(gè)電子,核內(nèi)是8個(gè)質(zhì)子,但核外有10個(gè)電子,總體帶兩個(gè)單位負(fù)電荷.

電荷的定向移動(dòng)就是電流,可能是電子移動(dòng),也可能是離子移動(dòng)(例如食鹽水中的鈉離子和氯離子),可能很小,也可能很大(例如很多個(gè)核或者電子組合在一起的整體).這個(gè)定向移動(dòng)要和熱運(yùn)動(dòng)相區(qū)分,它不是隨機(jī)的,是多個(gè)電荷的集體運(yùn)動(dòng),加起來不能抵消而會(huì)越來越大.電流的方向是人為定義的,以正電荷為基準(zhǔn),所以電子或者帶負(fù)電的離子移動(dòng)的時(shí)候就要小心,這些物質(zhì)的移動(dòng)方向和電流的方向?qū)嶋H是相反的.

我們知道食鹽水是可以導(dǎo)電的,但干燥的食鹽晶體不會(huì)導(dǎo)電.如果對(duì)食鹽加熱讓它融化則也可以導(dǎo)電.這是因?yàn)橹挥性谑雏}水和熔融的食鹽中,鈉離子和氯離子才能在電場(chǎng)的作用下自由移動(dòng),而在食鹽晶體中不能.正常情況下空氣是不導(dǎo)電的,但如果存在高溫高電壓情況,空氣就會(huì)變成等離子體,就是有很多的帶正電的離子和帶負(fù)電的離子,這樣就能導(dǎo)電了.絕緣體在某些外界條件,如加熱、加高壓等影響下,會(huì)被“擊穿”,而轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體.在未被擊穿之前,絕緣體也不是絕對(duì)不導(dǎo)電的物體.如果在絕緣材料兩端施加電壓,材料中將會(huì)出現(xiàn)很微弱的電流.導(dǎo)體和絕緣體是相對(duì)而言的.晶體一般不導(dǎo)電是因?yàn)槔锩娴碾x子并不能自由移動(dòng),而是被束縛在晶格里,在熔融或者溶解的情況下這種晶體結(jié)構(gòu)被破壞,形成自由移動(dòng)的離子,從而導(dǎo)電.晶體是系統(tǒng)能量最低的狀態(tài),物質(zhì)喜歡處于這種狀態(tài).

圖3 NaCl晶體的微觀結(jié)構(gòu)

在真空熔融通電狀態(tài),鈉離子Na＋順著電流移動(dòng)到達(dá)負(fù)極,得到電子變?yōu)榻饘兮c;氯離子Cl－逆著電流移動(dòng)到達(dá)正極,失去電子變?yōu)槁葰?這是工業(yè)獲得金屬鈉的一種重要方式.化學(xué)方程式如下:

如果不是在真空中,是不能得到金屬鈉的,因?yàn)樗鼤?huì)馬上和空氣中的氧發(fā)生作用.同樣,電解食鹽水也不能得到金屬鈉,只能得到氫氧化鈉.事實(shí)上很多化學(xué)反應(yīng)是要通電進(jìn)行的,而化學(xué)反應(yīng)也能產(chǎn)生電.干電池就是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能.經(jīng)典的鋅錳電池就是如此:金屬鋅筒里面放入氯化銨、二氧化錳之類的物質(zhì),中間插一根碳棒,鋅變成鋅離子跑進(jìn)干電池的電解質(zhì)中,丟下的電子集聚在鋅筒上,成為電池的負(fù)極,這個(gè)電子從外面電路回到電池正極——碳棒,然后將錳由四價(jià)還原為三價(jià),就是把電子塞給錳離子了.

正常情況下,金屬導(dǎo)電只能依靠自由電子,雖然金屬中存在陽離子,但它們被束縛在晶格上,不能自由移動(dòng).熔融狀態(tài)下這些陽離子也可以參與導(dǎo)電.一般熔融之前穩(wěn)定性越高電阻越大,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是原子核的振動(dòng)加劇,妨礙了電子的移動(dòng).熔融后比較復(fù)雜,不同材料情況不同,但都是能導(dǎo)電的.相反,如果溫度降低,金屬的導(dǎo)電性能會(huì)增強(qiáng),有時(shí)候達(dá)到一個(gè)臨界值后,電阻完全消失,呈現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài),可以認(rèn)為這個(gè)時(shí)候金屬陽離子的骨架規(guī)規(guī)矩矩,完全不會(huì)對(duì)電子的移動(dòng)造成任何阻礙.

金屬中存在自由電子是因?yàn)榻饘僭雍藢?duì)電子的束縛太弱造成的,它們不僅可以在金屬中跑來跑去,有時(shí)候還可以直接從金屬中蹦出來.自由電子從金屬中脫離通常有以下兩種情況:一種情況是加熱的時(shí)候,如前面圖1所示的陰極射線管就是加熱的燈絲的電子被導(dǎo)引到熒光屏上產(chǎn)生亮光;另外一種情況是有能量很大且頻率合適的光子打到金屬表面,這就是愛因斯坦研究過的光電效應(yīng).

圖1 陰極射線管(CRT)

電路分析中大部分是金屬導(dǎo)電,根本上都是電子導(dǎo)電.電池的負(fù)極是電子往外跑的地方,是電流的終點(diǎn).而正極是電子的終點(diǎn),卻是電流的起點(diǎn).電子的移動(dòng)形成電流,電流方向與電子運(yùn)動(dòng)方向是相反的.電子在導(dǎo)線上跑,只要不經(jīng)過用電器是一點(diǎn)也不費(fèi)力氣的,只有經(jīng)過用電器它才算是干了活,耗費(fèi)了能量.電子喜歡偷懶,它不愿意干活,如果有不干活的路它一定走那一條.如果線路斷了它也有理由不干活,就會(huì)停在那兒.串聯(lián)是指經(jīng)過其中一個(gè)用電器的任意電子都會(huì)經(jīng)過另外一個(gè)用電器,串聯(lián)意味著必須一個(gè)一個(gè)經(jīng)過.并聯(lián)是指經(jīng)過其中一個(gè)用電器的任意一個(gè)電子都不經(jīng)過另外一個(gè)用電器,并聯(lián)意味著選擇,且只能選一個(gè).

總結(jié)如下:

1)電源外沒有形成通路,則不會(huì)產(chǎn)生電流,電子是不能干活的.

2)電源外有一條通路,沒有用電器,電子就直接出去回來不干活,電源被短路了.

3)如果有一根導(dǎo)線和一個(gè)用電器并聯(lián),電子肯定不通過用電器而會(huì)直接在導(dǎo)線上運(yùn)動(dòng).

電是看不見的,確實(shí)不容易理解.在分析電勢(shì)差時(shí)我們可以類比氣壓和風(fēng).

電池提供了兩個(gè)不同的壓強(qiáng)無限大的氣體容器,它們能保持各自的壓強(qiáng)(電勢(shì)).風(fēng)(電子)從正極通過導(dǎo)線、開關(guān)和用電器,吹到負(fù)極,風(fēng)在各個(gè)通道的速度就是電流的大小.如果直接用一根導(dǎo)線連接正極和負(fù)極,也就是直接將兩個(gè)不同氣壓的容器直接接通起來,這個(gè)時(shí)候電源直接被短路,電流無窮大,非常危險(xiǎn).電路上的用電器相當(dāng)于風(fēng)車,被風(fēng)(電子)吹動(dòng)而做功,同時(shí)降低風(fēng)速消耗風(fēng)的能量.風(fēng)車能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)是因?yàn)榍昂蟠嬖趬簭?qiáng)差,這個(gè)差就是這個(gè)用電器上的電壓.開關(guān)決定風(fēng)道里是否存在障礙物,風(fēng)道要么是通的,要么被堵死.

電流表和電壓表是放在電路中的,它們對(duì)電路有什么影響一定要清楚.電流表的內(nèi)阻很小,可以看作一根導(dǎo)線(導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)),而電壓表內(nèi)阻很大,可以當(dāng)作一條斷開的線路(斷開狀態(tài)的開關(guān)).電流表測(cè)的是經(jīng)過自己的電流(通風(fēng)管道的風(fēng)速).電壓表測(cè)的是加在自己上面的電壓,這個(gè)電壓也是和它并聯(lián)的用電器上的電壓.圖4-甲中每個(gè)燈泡上所加的電壓都是一樣的,等于電池的電壓,干路電流是每個(gè)分支電流的3倍.圖4-乙中,干路與用電器的電流大小都一樣,兩個(gè)燈泡上面承載的電壓都是電池電壓的一半(電池內(nèi)電阻不計(jì)).大家不妨用通風(fēng)管道、風(fēng)扇等對(duì)比思考一下.

圖4 兩個(gè)簡(jiǎn)單線路