發(fā)生于 19 世紀(jì)的第二次技術(shù)革命，以電力的廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，不僅推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)由機(jī)械化向電氣化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)變，而且極大地改變了人們的生活方式，打開了人類進(jìn)入現(xiàn)代文明的大門。 18 世紀(jì)以前，有關(guān)電的研究主要集中于摩擦起電。例如，用靜電起電機(jī)可形成很高的電壓并產(chǎn)生大量的電火花。但當(dāng)時(shí)這些研究在實(shí)際應(yīng)用方面并未發(fā)揮更多的作用。
1800 年，一個(gè)具有偉大意義的事件發(fā)生了：伏特（A. Vlta，1745—1827）發(fā)明了電池，并用它得到持續(xù)穩(wěn)定的電流。這開創(chuàng)了人類認(rèn)識(shí)和實(shí)際利用電能的新紀(jì)元，今天的電力技術(shù)就是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 電流是怎樣形成的？它有什么特點(diǎn)？會(huì)受到哪些因素的影響？本章將探究與此相關(guān)的一系列問題。
請(qǐng)做一做，用絕緣的橡膠線把充電后的電容器的兩個(gè)極板和電流計(jì)連接起來，看看有無電流通過；如果改用金屬導(dǎo)線連接，再看看有無電流通過。為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？ 下面，我們通過對(duì)電流的學(xué)習(xí)來認(rèn)識(shí)其中的科學(xué)道理。
我們知道，電流是由自由電荷的定向移動(dòng)形成的。在金屬導(dǎo)體中，原子核對(duì)電子的束縛能力較弱，電子很容易掙脫原子核的束縛而成為自由電子；在橡膠等絕緣體內(nèi)，原子核對(duì)電子的束縛能力較強(qiáng)，很少有電子掙脫而成為自由電子。由此可見，回路中存在自由電荷是形成電流的條件。
自由電荷在什么情況下會(huì)定向移動(dòng)呢？我們知道，電場(chǎng)對(duì)電荷有力的作用。充電電容器帶正電的極板電勢(shì)高，帶負(fù)電的極板電勢(shì)低，兩極板間有電壓（ 電勢(shì)差 ）。用金屬導(dǎo)線連接電容器的兩個(gè)極板時(shí)，導(dǎo)線中建立了電場(chǎng)，導(dǎo)線中的自由電子在電場(chǎng)力的作用下定向運(yùn)動(dòng)，形成電流。這表明，電壓也是導(dǎo)體中形成電流的條件。
但是，電容器兩極板的電荷將很快中和，電場(chǎng)隨之消失，電壓變?yōu)榱?，電流也就消失了?而用電設(shè)備必須有持續(xù)電流才能正常工作，如手電筒照明、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等。為了獲得持續(xù)電流，必須維持導(dǎo)體兩端的持續(xù)電壓。干電池、蓄電池、發(fā)電機(jī)等電源提供的就是持續(xù)電壓。導(dǎo)體兩端有了持續(xù)電壓，導(dǎo)體中的自由電子就會(huì)在電場(chǎng)力的作用下形成持續(xù)不斷的電流。這說明，導(dǎo)體兩端有持續(xù)電壓是導(dǎo)體中形成持續(xù)電流的條件。
從微觀角度看，當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)沒有電場(chǎng)時(shí)，常溫下金屬內(nèi)的自由電子大約以 105 m/s 的平均速率做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。從宏觀（ 統(tǒng)計(jì) ）角度來看，這些自由電子朝任一方向運(yùn)動(dòng)的概率都一樣，沒有整體定向運(yùn)動(dòng)，不形成電流。當(dāng)導(dǎo)體兩端加上電壓，導(dǎo)體中很快建立電場(chǎng)， 電場(chǎng)以光速傳播，推動(dòng)所在處的自由電子定向移動(dòng)形成電流。雖然大量電子整體做定向移動(dòng)，但定向移動(dòng)速度很小，數(shù)量級(jí)大約是 10-5 m/s，比電場(chǎng)傳播的速度小得多，故被形象地稱為“ 電子漂移 ”（ 圖 3-2）。
當(dāng)金屬導(dǎo)體導(dǎo)電時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)做定向運(yùn)動(dòng)的是大量的自由電子。那么，電流的方向就是電子定向運(yùn)動(dòng)的方向嗎？ 19 世紀(jì)初，人們認(rèn)為電流是正電荷的定向移動(dòng)形成的，所以就把正電荷的定向移動(dòng)方向規(guī)定為電流方向。后來，人們發(fā)現(xiàn)電流方向與金屬導(dǎo)體內(nèi)電子定向移動(dòng)的方向恰好相反，但由于習(xí)慣，還是沿用了之前的規(guī)定。
其實(shí)，導(dǎo)體中的電流可以是負(fù)電荷的定向移動(dòng)，也可以是正電荷的定向移動(dòng)，還可以是正、負(fù)電荷沿相反的方向同時(shí)移動(dòng)。例如，在與電源連通的酸、堿、鹽溶液中，電流就是由能夠自由移動(dòng)的正離子和負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)形成的（ 圖 3-3）。在電源外部的電路中，在電場(chǎng)作用下，正電荷從電勢(shì)高的一端流向電勢(shì)低的一端，金屬導(dǎo)體中的電子則是從電勢(shì)低的一端流向電勢(shì)高的一端。即在電源外部電路中，電流的方向是從電源正極流向負(fù)極。
為了反映電流的強(qiáng)弱，物理學(xué)中將流過導(dǎo)體某一橫截面的電荷量與所用時(shí)間之比定義為電流（electric current），用符號(hào) I 表示，即
在國(guó)際單位制中，電流的單位是安培，簡(jiǎn)稱安，符號(hào)為 A，1 A = 1 C/s。常用的電流單位還有毫安（mA）和微安（μA），它們的關(guān)系為
物理學(xué)中把方向不隨時(shí)間變化的電流稱為直流電，大小和方向都不隨時(shí)間變化的電流稱為恒定電流。我們通常所說的直流電就是指恒定電流。
設(shè)在時(shí)間 t 內(nèi)，通過導(dǎo)體橫截面的自由電子數(shù)目為 N、電荷量為 q，則
從微觀上看，可通過導(dǎo)體的橫截面積、單位體積內(nèi)自由電子數(shù)目和電子定向移動(dòng)的平均速率計(jì)算電流的大小。若在其他條件不變的情況下，導(dǎo)電性能好的導(dǎo)體在單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)更多，形成的電流會(huì)更大。
根據(jù) I = neSv 還可估算電子定向移動(dòng)的平均速率。 有一橫截面積為 1 mm2 的銅導(dǎo)線，每立方米體積內(nèi)的自由電子數(shù)為 8.4×1028 個(gè)，電子的電荷量大小為 1.6×10-19 C。若通過該導(dǎo)線的電流為 1 A，導(dǎo)線中自由電子定向移動(dòng)的平均速率為多大？
安培（A. Ampere，1775—1836，圖 3-5），法國(guó)物理學(xué)家。 安培曾支持庫侖的觀點(diǎn)，認(rèn)為電與磁沒有關(guān)系，當(dāng)其得知奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)后，受到極大震動(dòng)。他深入定量研究了電流之間的相互作用力，取得了一系列成就。為了紀(jì)念安培在電磁學(xué)上的杰出貢獻(xiàn)，人們以他的姓氏命名電流的單位——安培。1948 年第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)確定：真空中兩無限長(zhǎng)平行直導(dǎo)線內(nèi)通以相等恒定電流，當(dāng)兩導(dǎo)線相距 1 m，每米長(zhǎng)度導(dǎo)線受到的力等于 2×10-7 N 時(shí)則每根導(dǎo)線中通過的電流為 1 A。
1. 關(guān)于電流，下列說法正確的是 A. 只要有可以自由移動(dòng)的電荷，就能存在持續(xù)電流 B. 金屬導(dǎo)體內(nèi)的持續(xù)電流是自由電子在導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)作用下形成的 C. 閉合開關(guān)電燈立即亮，這是因?yàn)閷?dǎo)體中自由電子定向移動(dòng)的平均速率很大 D. 在金屬導(dǎo)體內(nèi)當(dāng)自由電子定向移動(dòng)時(shí)，它們的熱運(yùn)動(dòng)就消失了

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第1節(jié) 電流

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