电荷运动与电流的形成过程

◇　北京　简　锋



非常道

电荷运动与电流的形成过程

◇北京简锋

电流是由电荷的定向移动形成的,那么电荷定向移动的速率是多大?以什么样的方式做定向移动?电荷定向移动的速度就是电流的速度吗?这3个问题都与电流的形成有关,明白了这些也就理解了电流是如何形成的．

1导体中电荷运动的速率多大?

图1

金属导体中能形成电流的电荷是导体中的自由电子,电解液中能形成电流的电荷是液体中的阳离子与阴离子．在形成电流前这些电荷并不是静止不动的,根据分子运动论,这些电荷时刻都在做无规则的热运动．以金属导体为例,科学家测出在常温下导体内自由电荷做热运动的平均速率约为105m·s-1,可见这个速率还是相当大的．那么这些做无规则热运动的自由电荷是如何形成电流的呢?我们构建一个如图1所示的模型．设单位体积内金属导体中自由电荷数为n,每个电荷的带电荷量为q,导体的横截面积S．闭合开关S,就会在AB间形成电场,导体内的电荷在电场力的作用下,定向移动,速率为v．设在时间t内通过导体横截面A的电荷量为Q,则Q=nVq=nSvtq,根据电流的计算式I=Q/t可推导出电流的微观表达式为I=nSqv．利用此公式可计算出电荷定向移动的速度v的大小．通过具体计算可知这个速率的数量级为10-5m·s-1,相比电荷热运动的速率,定向移动的速率是很小的．实事上导体内电荷此时的运动为热运动的速度与定向移动速度二者的合速度．

2电荷是如何做定向移动的?

电流形成后,电荷是从导体的一端一直运动到另一端吗?其实不是这样的,电荷的运动还是比较复杂的．电荷在电场力作用下被加速,做定向移动,在前进过程中,会与其他电子、原子核等发生碰撞,导致速度的大小与方向发生变化,有的甚至会反向弹回,因此形成电流后,电荷并不是从导体的一端一直运动到导体的另一端．

那么形成电流的电荷是怎么做定向运动的呢?虽然电荷的运动比较复杂,但是我们只需从2个方面来考虑就可以了:一是每一个电荷都不是静止不动的,都在做热运动;二是大量的做热运动的电荷在电场力的作用下,会被加速做定向移动．这就像公交车上的人,有人向前门走,有人向后门走,有人坐在座位上,每人都在运动,但车没有开,无论乘客怎么运动,都没有形成这辆车乘客的定向运动．一旦车子启动,虽然乘客还在运动,但这辆车乘客却形成了一种定向移动的现象．类似的现象还有蜂群运动、动物迁徙等,可以借用这些宏观现象来加深对客观世界的理解．

3电荷定向移动的速度是电流的速度吗?

日常生活中,合上开关电灯就亮了,电器就工作了,好像电流的形成是瞬时的,不需要时间．事实上电流形成是有时间的,只不过时间非常短,我们感觉不到,但感觉不到不等于没有．其实电流是有速度的,电流的速度等于电场的传播速度,大小为3×108m·s-1．而电荷的定向移动的速率,数量级为10-5m·s-1,二者大小相差太多,很显然电荷定向移动的速度并不是电流的速度．那么电流的速度为什么等于电场的传播速度呢?如图1,一旦闭合开关S,根据麦克斯韦电磁理论,电场在电路中的传播速度为3×108m·s-1,导体中瞬间就形成电场．导体中所有做无规则热运动的电荷也就立刻受到一个电场力,根据牛顿第二定律,立即产生沿电场方向的加速度,做定向移动,形成电流．

若把电流比作水流,电场的作用,就相当于水管中的水压的作用．打开水龙头,就会有水流出．可是水流的速度大小与水分子的运动速度大小并不相等,二者是2个速度,就像电流的速度大小与电荷的运动速度大小也是2个速度,二者不能混为一谈．

电流的形成从微观上看比较复杂,有电荷热运动的速度,电荷定向移动的速度,电流的速度及电荷定向移动的动力学原因等．在解释这些现象时构建了一个金属导体模型,并用公交车上乘客的运动作类比,还把电流与水流作了类比．构建模型法和类比法是物理学中非常重要的2种方法．如学习运动学时我们构建了质点模型、匀加速度直线运动模型、平抛运动模型、匀速圆周运动模型等．在学习电势时把它与高度类比,把等势面与等高线类比等．可见模型法、类比法在物理学习过程中随处可见,同学们要掌握并能灵活运用这2种方法,对学好物理有很大的帮助．

(作者单位：北京市龙潭中学)