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二 电流和电路

1.从静到动

上一章我们讨论了静电.静电有什么用呢?我们绞尽脑汁,似乎想不到它能够做什么好事,反而还作恶多端:静电产生的高压会击穿电子元件,静电产生的电火花可能会点燃易燃物品,等等.

静电有用吗?有.静电复印,静电吸附,静电吸尘......都是静电的用途.但静电不能驱动计算机,游戏机,电冰箱......平常为我们服务的,不是静电,而是在运动的电.

电荷可以运动吗?当然可以.假如我们有一个带电的物体A,还有一个不带电物体B,在二者之间用某种物质搭一个"桥",电荷就会从这个桥上面通过,使物体B也带上电.因为电荷来自A,B与A应带同种电荷.

于是有两个问题:什么物质可以用来做这个桥呢?究竟是什么在桥上运动呢(上篇文章我说过,电荷是一个抽象的概念而不是微粒,因此肯定不是这种物质在运动,它并不是一种粒子)?

2.导体,绝缘体

电荷并不是在所有物体中都能移动的.也就是,不是所有物质都能担负"桥"的重任.举个例子,我们在做摩擦起电的实验时,一般使用电荷不能在其中移动的物质,否则,电荷很快被带走,实验也就不容易出效果.

我们首先提出一个概念:导电.如果电荷能够在某物体中移动,也就是电可以从中通过,我们称这个物体能导电.

如果一个物质善于导电,我们称它为导体,反之就叫做绝缘体.

常见的导体包括金属,大地,人体.常见的绝缘体包括塑料,干木,陶瓷,橡胶.

导体和绝缘体没有绝对的界限.例如,绝大多数水是导体.但蒸馏水(纯净水,纯水,以及一些其他说法)是绝缘体.更加不可思议的是空气:一般情况下,空气是绝缘体,但如果环境潮湿,空气也能变成导体!

另外,如果电压极高,绝缘体会被电击穿,包括空气在内.所以,我们绝对不要接近高压线.

即使是导体,也有导电能力强和不强之分.常见物质中,导线性能最好的是银.所以,精密的电子仪器中的导线一般用银来制作.但银太贵了,一般人很难承受得起.铜的导电性能仅次于银,但价格可便宜很多(截止到现在,银的价格在3000元/千克以上,铜的价格不过60元一千克,相差50倍!),所以我们常见的导线都是铜制的.在后面的章节中会介绍衡量导电能力强于不强的一个概念电阻.

另外,还有一种物质叫做半导体.半导体的导线性能在导体和绝缘体之间,而且导电性还可以控制.因此,现代电子工业离不开半导体,包括你玩的计算机和游戏机.

3.电流及其形成

电荷在导体中定向移动,就形成了电流.这里有个关键词:定向移动.换句话说,电荷在导体中不是杂乱无章,像不懂事的孩子一样四处乱跑,而是按照一定方向移动.

既然是定向移动,它就有一个方向.物理学家规定,电流方向与正电荷移动的方向相同.而正负电荷移动方向相反.所以,电流方向与负电荷或者电子移动方向相反.

4.导体为什么能导电

金属中的原子结构和我们前面提到过的原子结构一致,没有什么特殊的地方.但金属导体中有一部分电子可以脱离原子核自由移动.因此,假如有一个力使这些电子开始移动,电流就形成了.

注意,原子核是不能移动的,所以我们看到的金属形态结构非常稳定.

(图1)

图1展示了一个常规的金属导体模型.其中红色的点代表自由电子

而溶液(比如大多数水)中含有大量的离子(失去或者得到电子的原子).因为液体的原子核可以移动(所以液体没有固定的形态),所以溶液中,如果有一个力,就可以使所有的离子开始运动--带正电的离子和带负电的离子运动方向相反.更加详细的内容在化学课上会讲到.

而绝缘体呢?绝缘体的电子不能--或者说很难--脱离原子核自由移动.所以,绝缘体不能导电.

5.电流形成的条件

根据上面提到的,我们可以总结出,电流形成必须满足两个条件:

1.电荷可以移动
2.有一个力使电荷定向移动.

电荷可以移动意味着,电流只能形成在导体中.

为了提供一个力使电荷定向移动,就需要电源.

6.电路

电流能够做什么呢?这个问题的答案妇孺皆知,深夜的城市霓虹闪烁,歌舞升平,靠的都是电--严格地说,靠的都是电流.

但电流本身什么用没有,我们需要一种东西来把电流转换成我们想要的东西,例如光,热等等.这种东西我们称作用电器.电流必须从用电器的一端流入,从另一端流出,换句话说就是必须经过用电器.顺便提一句,初中电学习题中,常见的用电器只有一个--灯泡.灯泡还有一个好听的名字叫做电珠.

电源,顾名思义,电的来源也.我们讲过,电荷的定向移动形成电流.平常情况下,自由电子的移动是杂乱无章的,因而没有电流产生.所以,我们要给它一个力,让它运动起来.电源就是提供这个力的器械.换句话说,电源不是能够提供大量的电荷一个电的"银行",而是一个"水泵",能够推动电荷使电流产生.

再加上"电流高速公路"导线,我们算是能让电为我们干活了.

等等!现在的电就像脱缰的野马,不知疲倦地工作,这可不行!难道为了阻止电流的产生我们要不厌其烦地拆除线路?因此,我们还需要开关.开关是一种可以控制的导线,使得控制电流的通过与否更加容易.

以上这四种东西--电源,导线,用电器,开关组成的网络就叫电路.

7.电路图

我们为了表示一个电路,需要用到电路图.如果我们把实物原样地画到纸上,就有点麻烦.因此,人们发明了一些符号来表示各种元件.图2展示了常见的一些符号.

它们依次是:开关,电池(组),灯泡,电阻,滑动变阻器,交叉相连的导线(注意到交叉处的那个点没有?).

图2

电路图的绘制要注意,首先必须是方的(不过你也会看到一些题目为了忽悠你把它画成圆的甚至是立体的,但你要记住,老师可以忽悠你,但你决不能忽悠老师),所有角尽量是直角,元件不能放在角落处.其实就是一个原则:让电路图尽量清晰.

有时,我们需要根据实物来绘制电路图,或者根据电路图连接实物.

此时,我们关注到一个事情:同一根导线上的点处处等价.换句话说,对于图3-A和图3-B展示的两个电路局部,他们是完全等价的.

图3

这样,我们就知道了一个方法:要分析一个复杂的电路图(实物图),先要将其转换成与之等价但更加简明的形式.例如图3,是A清晰还是B清晰?当然是A.在B中很不容易看出电流在电源处兵分两路.

一个简单的例子:有时给出的实物图会有两根导线连接到开关的接线柱上,左端是电源.这时,我们可以将另一根平移到电源上.这样我们就可以清楚地看出电是在电源出兵分两路而非开关处.

在经过一阵平移以后,也许你就会柳暗花明.一般情况下,这种方法足以完成大部分题目.但假如电路非常复杂,我们就需要用另一种方法.

假设你现在是一个正电荷(或负电荷).你从正极(或负极)出发,把整个电路走一遍,边走边画即可.下面这个Flash展示了这个过程.

(提示:点击左下角的按钮可以暂停.您也许需要通过多次暂停来研究整个过程)

8.习题

1.(电流)有两个验电器,第一个带负电,第二个不带电.现在用一根铜棒连接两个验电器,那么:
A.电流从第一个验电器流向第二个验电器
B.电流从第二个验电器流向第一个验电器
C.有电流形成,但方向无法确定
D.没有电流形成

2.(电路)以下哪一项不是电路中必须存在的:
A.电池
B.开关
C.导线
D.用电器

3.(导体与绝缘体)下列物体中哪些是导体?
铜丝 人体 塑料 大地 橡胶棒 蒸馏水