電荷運動與電流的形成過程

◇　北京　簡　鋒

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非常道

電荷運動與電流的形成過程

◇北京簡鋒

電流是由電荷的定向移動形成的,那么電荷定向移動的速率是多大?以什么樣的方式做定向移動?電荷定向移動的速度就是電流的速度嗎?這3個問題都與電流的形成有關,明白了這些也就理解了電流是如何形成的．

1導體中電荷運動的速率多大?

圖1

金屬導體中能形成電流的電荷是導體中的自由電子,電解液中能形成電流的電荷是液體中的陽離子與陰離子．在形成電流前這些電荷并不是靜止不動的,根據分子運動論,這些電荷時刻都在做無規則的熱運動．以金屬導體為例,科學家測出在常溫下導體內自由電荷做熱運動的平均速率約為105m·s-1,可見這個速率還是相當大的．那么這些做無規則熱運動的自由電荷是如何形成電流的呢?我們構建一個如圖1所示的模型．設單位體積內金屬導體中自由電荷數為n,每個電荷的帶電荷量為q,導體的橫截面積S．閉合開關S,就會在AB間形成電場,導體內的電荷在電場力的作用下,定向移動,速率為v．設在時間t內通過導體橫截面A的電荷量為Q,則Q=nVq=nSvtq,根據電流的計算式I=Q/t可推導出電流的微觀表達式為I=nSqv．利用此公式可計算出電荷定向移動的速度v的大小．通過具體計算可知這個速率的數量級為10-5m·s-1,相比電荷熱運動的速率,定向移動的速率是很小的．實事上導體內電荷此時的運動為熱運動的速度與定向移動速度二者的合速度．

2電荷是如何做定向移動的?

電流形成后,電荷是從導體的一端一直運動到另一端嗎?其實不是這樣的,電荷的運動還是比較復雜的．電荷在電場力作用下被加速,做定向移動,在前進過程中,會與其他電子、原子核等發生碰撞,導致速度的大小與方向發生變化,有的甚至會反向彈回,因此形成電流后,電荷并不是從導體的一端一直運動到導體的另一端．

那么形成電流的電荷是怎么做定向運動的呢?雖然電荷的運動比較復雜,但是我們只需從2個方面來考慮就可以了:一是每一個電荷都不是靜止不動的,都在做熱運動;二是大量的做熱運動的電荷在電場力的作用下,會被加速做定向移動．這就像公交車上的人,有人向前門走,有人向后門走,有人坐在座位上,每人都在運動,但車沒有開,無論乘客怎么運動,都沒有形成這輛車乘客的定向運動．一旦車子啟動,雖然乘客還在運動,但這輛車乘客卻形成了一種定向移動的現象．類似的現象還有蜂群運動、動物遷徙等,可以借用這些宏觀現象來加深對客觀世界的理解．

3電荷定向移動的速度是電流的速度嗎?

日常生活中,合上開關電燈就亮了,電器就工作了,好像電流的形成是瞬時的,不需要時間．事實上電流形成是有時間的,只不過時間非常短,我們感覺不到,但感覺不到不等于沒有．其實電流是有速度的,電流的速度等于電場的傳播速度,大小為3×108m·s-1．而電荷的定向移動的速率,數量級為10-5m·s-1,二者大小相差太多,很顯然電荷定向移動的速度并不是電流的速度．那么電流的速度為什么等于電場的傳播速度呢?如圖1,一旦閉合開關S,根據麥克斯韋電磁理論,電場在電路中的傳播速度為3×108m·s-1,導體中瞬間就形成電場．導體中所有做無規則熱運動的電荷也就立刻受到一個電場力,根據牛頓第二定律,立即產生沿電場方向的加速度,做定向移動,形成電流．

若把電流比作水流,電場的作用,就相當于水管中的水壓的作用．打開水龍頭,就會有水流出．可是水流的速度大小與水分子的運動速度大小并不相等,二者是2個速度,就像電流的速度大小與電荷的運動速度大小也是2個速度,二者不能混為一談．

電流的形成從微觀上看比較復雜,有電荷熱運動的速度,電荷定向移動的速度,電流的速度及電荷定向移動的動力學原因等．在解釋這些現象時構建了一個金屬導體模型,并用公交車上乘客的運動作類比,還把電流與水流作了類比．構建模型法和類比法是物理學中非常重要的2種方法．如學習運動學時我們構建了質點模型、勻加速度直線運動模型、平拋運動模型、勻速圓周運動模型等．在學習電勢時把它與高度類比,把等勢面與等高線類比等．可見模型法、類比法在物理學習過程中隨處可見,同學們要掌握并能靈活運用這2種方法,對學好物理有很大的幫助．

(作者單位：北京市龍潭中學)