关于电和电流的一些说明

邓 熠

(广东省广州市第十六中学)

电是静止或移动的电荷(带电粒子)所产生的物理现象.在大自然里,电的机制导致了很多众所周知的效应,例如闪电、摩擦起电、静电感应等电现象.如果不是剧烈放电,在大部分时候,物体是否带电是看不见的,但我们可以通过别的性质加以判断.例如物理书上说:物体具有吸引轻小物体的性质是因为物体有了电荷,或称带了电.

带电粒子(承载电的单元)包括电子、原子核或者一些离子.一般原子是电中性的,核内有几个质子,核外就有等量的电子绕核运行.质子带一个最小单位的正电荷,电子带一个最小单位的负电荷.一个电子的电荷量很少,我们常说的1库仑约等于6.25×1018个电子的电荷量.离子是指失去了一些电子或得到了一些电子的原子.把食盐溶解在水里,水中就存在大量的带正电的钠离子Na＋和带负电的氯离子Cl－,它们比相应的原子分别少了和多了一个电子.

电荷只有两种,要么带正电,要么带负电.电子多了质子少了就带负电,电子少了质子多了就带正电.如果一个物体中质子和电子数量一样多,即使在其局部因为电荷分布不均而表现出带电的特征,其整体仍是电中性的.

电荷的作用规律很简单:同性相斥,异性相吸.这可以归纳为一句话:如果电荷有思想,那么它们总想回到电中性的状态,把异性吸引过来结合为一个电中性整体,而同种电荷则离得越远越好.试想一下,如果同种电荷相互吸引而异种电荷相互排斥,整个世界就会变成两个团体:一堆是质子,一堆是电子,原子便无法存在.

为什么有了电荷就能吸引轻小物体呢? 当带电体靠近轻小物体时,无论轻小物体是绝缘体还是导体,带电体产生的电场都将通过极化作用或感应作用,使较小物体近端和远端出现异种电荷.轻小物体离带电体近一些的地方与带电体的电性相反,远端电性相同.库仑定律告诉我们,电荷间的作用力大小跟点电荷间距离的二次方成反比,显然,带电体对轻小物体近端电荷的引力大于对远端电荷的排斥力,轻小物体受到的合力必然表现为引力.当然,带电体对“重大物体”也是有吸引作用的,只不过轻小物体更容易被吸起来,其吸引作用更容易被观察到罢了.

电的性质与原子的特征是紧密联系的.由于原子太小,不便观察,在很长一段时间内大家都是通过一些实验现象对原子进行猜测的.

1838年,英国物理学家法拉第抽去玻璃管中的空气,并以两根黄铜棒作电极分别焊到管子的两端,通电后有光从阳极射出,阴极也发出微弱的辉光.

1858年,德国物理学家普吕克(JuliusPlücker)在观察放电管中的放电现象时,发现正对阴极的管壁发出绿色的荧光.这个荧光是什么引起了人们长时间的争论.

1897 年,英国物理学家汤姆逊(JosephJohn Thomson)通过研究粒子在磁场和电场中的射线运动发现其带电,并测出了粒子电荷与其质量的比,这种粒子就是电子.汤姆逊以此为基础提出了原子的枣糕模型.他认为电子就像枣一样嵌在正电均匀分布的糕里面(因为那个时候还没有发现质子).

1909 年,英国物理学家卢瑟福 (Ernest Rutherford)和他的助手用α粒子轰击金箔来进行实验.实验结果表明,绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了较大的偏转,并有极少数α粒子的偏转超过90°,有的甚至几乎达到180°而被反弹回来,这就是α粒子的散射现象.这个现象宣告枣糕模型的失败.卢瑟福于1911年提出了含核原子模型,他认为在原子中心,有一个带正电的、体积很小的,几乎集中了全部原子质量的原子核.在原子核外有与原子核所带正电荷数目相同的电子,这些电子在原子核外绕核高速旋转.这个高速旋转是为了抵抗核对电子的吸引力,正如地球绕着太阳旋转一样.(但这种说法也存在问题,电子一旦旋转运动,就会辐射电磁波消耗能量,最终还是会落到原子核里去,所以电子到底为何这么运动还没有彻底弄清楚.同样,为何把那么多质子束缚在一个小小的核内也不是很清楚,这个束缚力现在被物理学家称为强相互作用.)

既然原子是电中性的,为什么摩擦能起电呢? 摩擦起电是一种比较复杂的现象,摩擦过程中伴随着物质间的接触和分离、温度升高、分子的破裂、热分解、压电和热电效应等,它们都对起电产生影响.固体的带电机理可用双电层和接触电势差来说明.两种物质接触时,由于不同原子得失电子的能力不同,外层电子的能级不同,会发生电子转移.当两种物质紧密接触(其间距小于0.25×10－10m)时,界面两侧会出现大小相等、符号相反的两层电荷,称作双电层.双电层间的电势差叫作接触电势差.当双电层间的接触电势差达到一定值后,电子的转移达到平衡.接触电势差跟物质性质和表面状况有很大关系,固体的接触电势差为10－3～10－1V,最大为1V 左右.金属与金属、金属与绝缘物(电介质)、绝缘物与绝缘物的界面上都会出现双电层.由于存在双电层,两个紧密接触的物体分开时,就可能带电.摩擦可使物体间紧密接触,增大接触面积,从而增加电荷量;摩擦还使温度升高,促进电子的转移.

上文分析摩擦起电中说到的原子得失电子的能力不同,这个很重要,我们扩展开来讲讲.虽然原子是中性的,但它们并不稳定,它们倾向于丢掉或者获取更多的电子而形成更稳定的结构.到底为什么喜欢丢掉电子或者获得更多的电子不容易说清楚,可以简单地认为与原子核的吸引强度有关,能力大的总想吸住更多的电子,要把别人的也抢过来;能力弱的核吸引力不够强,往往容易把原来属于自己的电子弄丢.俄罗斯化学家门捷列夫用周期表的形式给出了各种元素的原子的这一特性,这实际上就是元素的化学特性,原子或者粒子得到或者丢掉电子就是发生了化学变化,得到电子为还原,失去电子为氧化.

图2中原子的大小也可以帮助我们大概理解这种特性.图上的编号是元素的核电荷数,即一个原子中的质子和电子的数量.任意一行中从左到右这个数是增加的,就是右边比左边有更多的质子和电子.原子越小说明核对电子的吸引力越大.最左边除了氢之外都是金属,它们在空气中都会被氧化,很容易失去一个电子,而送给氧原子.例如锂在空气中燃烧生成氧化锂,即4个锂原子和一个氧分子作用形成2个氧化锂分子:

图2 原子的半径

你可能注意到了,元素周期表里面最右边的元素的原子比它左边的突然“胖”了很多,在整行中既不是最大又不是最小.这一列是惰性气体,它们不容易和别的物质发生化学反应,原子的大小刚刚好,既不愿意丢失电子也不愿意抢别人的电子.

一些非金属元素的单质不是单个原子,而是多个原子构成的分子,其原因在于它们对于电子的嗜求.氯气常用来给游泳池消毒,氯化钠是我们每天吃的食盐.氯的元素编号是17,它很想有更多的电子,如果一个氯原子周围都是氯原子,势均力敌是夺不过来电子的,它只能和另一个氯原子合作,每个原子拿出一个电子作为公用,这两个电子一会儿在这个原子核周围跑跑,一会儿去另外一个原子核周围跑跑.这样每个核都感觉自己外面多了一个电子.氧元素也是如此,我们呼吸的氧气,基本组成是氧分子,也是两个氧原子合作,每个原子拿出2个电子共享.空气中的氮气也是两个氮原子合作结合在一起,每一对氮原子共用3对6个电子.

相比这些喜欢更多电子的非金属,金属往往容易丢掉电子.金属原子中的很多电子因为核的束缚力不够强而游离于金属体内,这就是自由电子.金属两端加上电压,这些电子就会定向移动形成电流.

下面我们再回到物理.我们已经知道电的最根本来源是质子和电子,电荷由不均衡的质子和电子构成.所以原子核是带电的,电子也是带电的,一个中性的原子丢了电子,会带正电.例如前面说到的锂离子就是锂原子丢了一个电子,结果是核内有3个质子,但核外只有2个电子,总体带一个单位正电荷.而此时的每个氧离子,则从锂原子那儿夺得2个电子,核内是8个质子,但核外有10个电子,总体带两个单位负电荷.

电荷的定向移动就是电流,可能是电子移动,也可能是离子移动(例如食盐水中的钠离子和氯离子),可能很小,也可能很大(例如很多个核或者电子组合在一起的整体).这个定向移动要和热运动相区分,它不是随机的,是多个电荷的集体运动,加起来不能抵消而会越来越大.电流的方向是人为定义的,以正电荷为基准,所以电子或者带负电的离子移动的时候就要小心,这些物质的移动方向和电流的方向实际是相反的.

我们知道食盐水是可以导电的,但干燥的食盐晶体不会导电.如果对食盐加热让它融化则也可以导电.这是因为只有在食盐水和熔融的食盐中,钠离子和氯离子才能在电场的作用下自由移动,而在食盐晶体中不能.正常情况下空气是不导电的,但如果存在高温高电压情况,空气就会变成等离子体,就是有很多的带正电的离子和带负电的离子,这样就能导电了.绝缘体在某些外界条件,如加热、加高压等影响下,会被“击穿”,而转化为导体.在未被击穿之前,绝缘体也不是绝对不导电的物体.如果在绝缘材料两端施加电压,材料中将会出现很微弱的电流.导体和绝缘体是相对而言的.晶体一般不导电是因为里面的离子并不能自由移动,而是被束缚在晶格里,在熔融或者溶解的情况下这种晶体结构被破坏,形成自由移动的离子,从而导电.晶体是系统能量最低的状态,物质喜欢处于这种状态.

图3 NaCl晶体的微观结构

在真空熔融通电状态,钠离子Na＋顺着电流移动到达负极,得到电子变为金属钠;氯离子Cl－逆着电流移动到达正极,失去电子变为氯气.这是工业获得金属钠的一种重要方式.化学方程式如下:

如果不是在真空中,是不能得到金属钠的,因为它会马上和空气中的氧发生作用.同样,电解食盐水也不能得到金属钠,只能得到氢氧化钠.事实上很多化学反应是要通电进行的,而化学反应也能产生电.干电池就是化学能转化为电能.经典的锌锰电池就是如此:金属锌筒里面放入氯化铵、二氧化锰之类的物质,中间插一根碳棒,锌变成锌离子跑进干电池的电解质中,丢下的电子集聚在锌筒上,成为电池的负极,这个电子从外面电路回到电池正极——碳棒,然后将锰由四价还原为三价,就是把电子塞给锰离子了.

正常情况下,金属导电只能依靠自由电子,虽然金属中存在阳离子,但它们被束缚在晶格上,不能自由移动.熔融状态下这些阳离子也可以参与导电.一般熔融之前稳定性越高电阻越大,出现这一现象的原因可能是原子核的振动加剧,妨碍了电子的移动.熔融后比较复杂,不同材料情况不同,但都是能导电的.相反,如果温度降低,金属的导电性能会增强,有时候达到一个临界值后,电阻完全消失,呈现超导状态,可以认为这个时候金属阳离子的骨架规规矩矩,完全不会对电子的移动造成任何阻碍.

金属中存在自由电子是因为金属原子核对电子的束缚太弱造成的,它们不仅可以在金属中跑来跑去,有时候还可以直接从金属中蹦出来.自由电子从金属中脱离通常有以下两种情况:一种情况是加热的时候,如前面图1所示的阴极射线管就是加热的灯丝的电子被导引到荧光屏上产生亮光;另外一种情况是有能量很大且频率合适的光子打到金属表面,这就是爱因斯坦研究过的光电效应.

图1 阴极射线管(CRT)

电路分析中大部分是金属导电,根本上都是电子导电.电池的负极是电子往外跑的地方,是电流的终点.而正极是电子的终点,却是电流的起点.电子的移动形成电流,电流方向与电子运动方向是相反的.电子在导线上跑,只要不经过用电器是一点也不费力气的,只有经过用电器它才算是干了活,耗费了能量.电子喜欢偷懒,它不愿意干活,如果有不干活的路它一定走那一条.如果线路断了它也有理由不干活,就会停在那儿.串联是指经过其中一个用电器的任意电子都会经过另外一个用电器,串联意味着必须一个一个经过.并联是指经过其中一个用电器的任意一个电子都不经过另外一个用电器,并联意味着选择,且只能选一个.

总结如下:

1)电源外没有形成通路,则不会产生电流,电子是不能干活的.

2)电源外有一条通路,没有用电器,电子就直接出去回来不干活,电源被短路了.

3)如果有一根导线和一个用电器并联,电子肯定不通过用电器而会直接在导线上运动.

电是看不见的,确实不容易理解.在分析电势差时我们可以类比气压和风.

电池提供了两个不同的压强无限大的气体容器,它们能保持各自的压强(电势).风(电子)从正极通过导线、开关和用电器,吹到负极,风在各个通道的速度就是电流的大小.如果直接用一根导线连接正极和负极,也就是直接将两个不同气压的容器直接接通起来,这个时候电源直接被短路,电流无穷大,非常危险.电路上的用电器相当于风车,被风(电子)吹动而做功,同时降低风速消耗风的能量.风车能持续转动是因为前后存在压强差,这个差就是这个用电器上的电压.开关决定风道里是否存在障碍物,风道要么是通的,要么被堵死.

电流表和电压表是放在电路中的,它们对电路有什么影响一定要清楚.电流表的内阻很小,可以看作一根导线(导通状态的开关),而电压表内阻很大,可以当作一条断开的线路(断开状态的开关).电流表测的是经过自己的电流(通风管道的风速).电压表测的是加在自己上面的电压,这个电压也是和它并联的用电器上的电压.图4-甲中每个灯泡上所加的电压都是一样的,等于电池的电压,干路电流是每个分支电流的3倍.图4-乙中,干路与用电器的电流大小都一样,两个灯泡上面承载的电压都是电池电压的一半(电池内电阻不计).大家不妨用通风管道、风扇等对比思考一下.

图4 两个简单线路