電荷運(yùn)動(dòng)與電流的形成過程

◇　北京　簡(jiǎn)　鋒

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非常道

電荷運(yùn)動(dòng)與電流的形成過程

◇北京簡(jiǎn)鋒

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

1導(dǎo)體中電荷運(yùn)動(dòng)的速率多大?

圖1

金屬導(dǎo)體中能形成電流的電荷是導(dǎo)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(yáng)離子與陰離子．在形成電流前這些電荷并不是靜止不動(dòng)的,根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論,這些電荷時(shí)刻都在做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)．以金屬導(dǎo)體為例,科學(xué)家測(cè)出在常溫下導(dǎo)體內(nèi)自由電荷做熱運(yùn)動(dòng)的平均速率約為105m·s-1,可見這個(gè)速率還是相當(dāng)大的．那么這些做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的自由電荷是如何形成電流的呢?我們構(gòu)建一個(gè)如圖1所示的模型．設(shè)單位體積內(nèi)金屬導(dǎo)體中自由電荷數(shù)為n,每個(gè)電荷的帶電荷量為q,導(dǎo)體的橫截面積S．閉合開關(guān)S,就會(huì)在AB間形成電場(chǎng),導(dǎo)體內(nèi)的電荷在電場(chǎng)力的作用下,定向移動(dòng),速率為v．設(shè)在時(shí)間t內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面A的電荷量為Q,則Q=nVq=nSvtq,根據(jù)電流的計(jì)算式I=Q/t可推導(dǎo)出電流的微觀表達(dá)式為I=nSqv．利用此公式可計(jì)算出電荷定向移動(dòng)的速度v的大?。ㄟ^具體計(jì)算可知這個(gè)速率的數(shù)量級(jí)為10-5m·s-1,相比電荷熱運(yùn)動(dòng)的速率,定向移動(dòng)的速率是很小的．實(shí)事上導(dǎo)體內(nèi)電荷此時(shí)的運(yùn)動(dòng)為熱運(yùn)動(dòng)的速度與定向移動(dòng)速度二者的合速度．

2電荷是如何做定向移動(dòng)的?

電流形成后,電荷是從導(dǎo)體的一端一直運(yùn)動(dòng)到另一端嗎?其實(shí)不是這樣的,電荷的運(yùn)動(dòng)還是比較復(fù)雜的．電荷在電場(chǎng)力作用下被加速,做定向移動(dòng),在前進(jìn)過程中,會(huì)與其他電子、原子核等發(fā)生碰撞,導(dǎo)致速度的大小與方向發(fā)生變化,有的甚至?xí)聪驈椈?因此形成電流后,電荷并不是從導(dǎo)體的一端一直運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)體的另一端．

那么形成電流的電荷是怎么做定向運(yùn)動(dòng)的呢?雖然電荷的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜,但是我們只需從2個(gè)方面來考慮就可以了:一是每一個(gè)電荷都不是靜止不動(dòng)的,都在做熱運(yùn)動(dòng);二是大量的做熱運(yùn)動(dòng)的電荷在電場(chǎng)力的作用下,會(huì)被加速做定向移動(dòng)．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(yùn)動(dòng),但車沒有開,無論乘客怎么運(yùn)動(dòng),都沒有形成這輛車乘客的定向運(yùn)動(dòng)．一旦車子啟動(dòng),雖然乘客還在運(yùn)動(dòng),但這輛車乘客卻形成了一種定向移動(dòng)的現(xiàn)象．類似的現(xiàn)象還有蜂群運(yùn)動(dòng)、動(dòng)物遷徙等,可以借用這些宏觀現(xiàn)象來加深對(duì)客觀世界的理解．

3電荷定向移動(dòng)的速度是電流的速度嗎?

日常生活中,合上開關(guān)電燈就亮了,電器就工作了,好像電流的形成是瞬時(shí)的,不需要時(shí)間．事實(shí)上電流形成是有時(shí)間的,只不過時(shí)間非常短,我們感覺不到,但感覺不到不等于沒有．其實(shí)電流是有速度的,電流的速度等于電場(chǎng)的傳播速度,大小為3×108m·s-1．而電荷的定向移動(dòng)的速率,數(shù)量級(jí)為10-5m·s-1,二者大小相差太多,很顯然電荷定向移動(dòng)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(chǎng)的傳播速度呢?如圖1,一旦閉合開關(guān)S,根據(jù)麥克斯韋電磁理論,電場(chǎng)在電路中的傳播速度為3×108m·s-1,導(dǎo)體中瞬間就形成電場(chǎng)．導(dǎo)體中所有做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的電荷也就立刻受到一個(gè)電場(chǎng)力,根據(jù)牛頓第二定律,立即產(chǎn)生沿電場(chǎng)方向的加速度,做定向移動(dòng),形成電流．

若把電流比作水流,電場(chǎng)的作用,就相當(dāng)于水管中的水壓的作用．打開水龍頭,就會(huì)有水流出．可是水流的速度大小與水分子的運(yùn)動(dòng)速度大小并不相等,二者是2個(gè)速度,就像電流的速度大小與電荷的運(yùn)動(dòng)速度大小也是2個(gè)速度,二者不能混為一談．

電流的形成從微觀上看比較復(fù)雜,有電荷熱運(yùn)動(dòng)的速度,電荷定向移動(dòng)的速度,電流的速度及電荷定向移動(dòng)的動(dòng)力學(xué)原因等．在解釋這些現(xiàn)象時(shí)構(gòu)建了一個(gè)金屬導(dǎo)體模型,并用公交車上乘客的運(yùn)動(dòng)作類比,還把電流與水流作了類比．構(gòu)建模型法和類比法是物理學(xué)中非常重要的2種方法．如學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)學(xué)時(shí)我們構(gòu)建了質(zhì)點(diǎn)模型、勻加速度直線運(yùn)動(dòng)模型、平拋運(yùn)動(dòng)模型、勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型等．在學(xué)習(xí)電勢(shì)時(shí)把它與高度類比,把等勢(shì)面與等高線類比等．可見模型法、類比法在物理學(xué)習(xí)過程中隨處可見,同學(xué)們要掌握并能靈活運(yùn)用這2種方法,對(duì)學(xué)好物理有很大的幫助．

(作者單位：北京市龍?zhí)吨袑W(xué))