电流

如果我提出这样一个简单的问题：

“为什么电线的线芯是用铜或铝做的呢？”

你一定会毫不犹豫的回答：

“因为铜和铝能导电。”

“为什么电线外面要包上橡皮呢？”

“因为橡皮不能导电。”

“对啦！”

任何一种电气设备都离不开导体和绝缘体。象银、铜、铝、铁等金属，含有杂质的水、人体、大地等等容易传导电流的物体，叫做导体；能够可靠地隔绝电流的物体，如橡皮、陶瓷、塑料、云母、玻璃等等，叫做绝缘体。

在输电线路上，电线是用来传导电流的导体，支架电线的瓷瓶则是用来隔绝电流的绝缘体。（图1）

当我们利用各种物体做摩擦起电的实验时，经常会发现这样一个奇怪的现象：用毛皮摩擦玻璃棒，或者用丝绸摩擦胶木棒，玻璃棒和胶木棒都能带电，把碎纸屑吸引起来。可是，如果用手拿起一根金属棒，用丝绸摩擦它，却不能吸起碎纸屑（图2）。怎么解释这种现象呢？这绝不是因为金属不能摩擦起电，而是由于它们是容易传导电流的导体，摩擦产生的电荷，会很快地经过导电的人体流入大地，在大地中扩散开来，所以金属棒就不会带电。如果你不相信，不妨做一下这样的实验：先站在绝缘物上，使身体与大地隔绝，取一根带有绝缘手柄的金属棒，用丝绸摩擦金属棒，结果你会看到，它照样能带电，把轻小物体吸引起来（图3）。

为什么有的物体容易传导电流，有的物体却能可靠地隔绝电流呢？为了回答这个问题，我们需要看一下物质的结构。

我们在上篇曾经讲过，一百多种元素的原子，构成了地球上形形色色的物质。最简单的原子是氢原子，它只有一个电子。氧原子就复杂一些，它具有8个电子，分布在两层轨道上。铜原子有29个电子，它们分布在四层轨道上（图4）。在很多金属原子中，最外层轨道上的电子，距离原子核较远，很容易从轨道上挣脱下来成为自由电子。所以，在金属导体中存在着大量的自由电子。这些自由电子不再受原子的束缚，在金属导体内做着紊乱的没有规则的运动。

当我们把金属导体和一个电池接成闭合电路时，导体中的自由电子（负电荷）就会受到电池负极的排斥和正极的吸引，驱使它们朝着电池正极运动（图5）。自由电子的这种有规则的运动。就形成了金属导体中的电流。在这里，自由电子担负着运载电荷的使命，所以我们把这种自由电子叫载流子。

实际上，载流子并不只限于自由电子一种，另一种经常遇到的载流子叫做离子。有些物质溶解在水中以后，能形成具有多余电子或缺少电子的原子或原子团，称为离子。失去电子的原子带正电，成为正离子；而获得额外电子的原子带负电，成为负离子。能溶于水并形成离子的物质叫电解质。电解质分子在水溶液中分离成为离子的过程叫做电离。如果把两块金属板浸入电解质溶液中，并把他们分别接在电池的正、负极上，正离子就向接负极的金属极板运动，负离子就向接正极的金属极板运动，从而形成了电流。工业中采用的电解、电镀工艺，以及手电筒里的干电池，汽车用的蓄电池，都是利用电解质溶液中的载流子——离子来运载电荷的。

至于一般生活用水，即使我们不向其中注入电解质，因为这种水的成分不纯，含有丰富的离子，所以也是具有导电性能的。以含有食盐的水为例，食盐分子在水溶液中电离，钠原子失去一个电子带正电，变成正离子（Na\(^{+}\)），而氯原子得到一个电子带负电，变成负离子（Cl-）。倘若接通电源，就能在电解液中形成电流。两种离子都是运载电荷的载流子（图6）。

还有，大家熟悉的晶体二极管和三极管，都是用半导体材料制成的。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、砷化镓等等。半导体中的载流子，除了自由电子以外，还有一种特殊的载流子——带正电的空穴。

在绝缘体中，原子最外层轨道上的电子，被原子核束缚得很紧，所以平常载流子的数量极少，几乎不能传导电流。

由此可见，物体导电性能的好坏，主要是由内部载流子的多少来决定的。

通过导体的电流就好比管道中的水流一样，是具有一定方向的。照理说电流的方向与电子流动的方向是一致的，可是实际上我们所规定的电流方向却恰好与此相反（图7）。这是因为从前人们对电流缺乏本质的认识，认为电流总是从电源的正极流向负极的。后来了解了物质的电结构，发觉这种电流方向与电子流动的实际方向刚好相反。只是由于已经习惯于长期沿用的概念，因此人为地规定了电流的正方向。

当物体处于带电状态时，我们就说它具有电荷。倘若把电荷比做一个重量载荷，把物体比做支撑物，那么带电体就好象上面压着重载的支撑物。一个带电体所带的电荷越多，就好比支撑物上的载荷重量越大（图8）。在电学中用电量这个术语表示电荷的数量。

电量的最小单位是一个电子的荷电量。但是这个单位太小，实用上很不方便。因此，通常取库仑做电量的单位，1库仑相当于6.242×10\(^{18}\)（1018=100万×100万×100万）个电子的荷电量。如果用库仑做单位来表示一个电子所具有的电量e，则e=1.602×10\(^{-}\)19库仑。

在导体中，每单位时间内通过导体任一横截面的电量越多，电流强度就越大。实用规定，在1秒钟内通过导体横截面上的电量若为1库仑，则电流强度就是1安培，即

这就是说，如果有1安培电流通过导体，则在1秒钟内就有6.242×10\(^{18}\)个电子通过导体横截面（图9）！安培用符号“A”表示。在电子技术中，电流往往比1安培小得多。常采用毫安和微安来度量，它们的关系是：

(张学志 颜超 宋东生 编译)