漫谈直流电

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电荷在导体里有规律的运动就形成电流。在电路里,电流的成分可能是各种各样的,但是我们总可以按照它们的方向和大小把它们区别开。对于那种方向和大小始终不变化的电流,我们就叫它直流电流。细分起来,如果方向不变而大小随时间变化也可以叫作脉动直流电流。

直流电流的方向

由于科学家在规定电流的方向时,还没有形成电子的概念,所以最初规定电流方向时,常常用水的流动来加以比拟。也就是水从高处往低处流。从而规定了电流的方向也是从高电位往低电位流动。采用了这个习惯上的规定,金属导体里的电荷也只能是带正电的电荷了。现在我们都知道,在金属导体里,带正电的原子核是不能移动的,而绕原子核最外层的自由电子能成为自由电子,才能自由行动。自由电子在电场作用下有规律的移动就会形成电子流。由于电子带的是负电荷,电子流的方向也就同人们规定的电流方向正好相反。

假如我们把一节干电池的正、负极,用导线和小灯泡串连起来,小灯泡会发亮表明电路中就有了电流。电流的方向是从电池正极出发,经过灯泡流向负极。如图1所示,这就是一个直流电路。

图1
图1 🔍原图 (276×208)

在直流电路里,电流的大小可以用单位时间内通过导作横截面有多少电荷(电量)来表示,称为电流强度。由于直流电路中的电流强度是不变的。不论横截面选在电路的那一部分,而且第一秒钟通过的电量同第二秒钟通过的电量相比,是相同的,第三、第四秒……等也都是不变的。

也许有人会问,一个电子要从导体的一端移动到导体的另一端,要经历曲折碰撞的路程,看来也不是一瞬间能达到的。但是为什么我们一接通电路,灯泡就立即亮起来呢?原来,电子传递电能是依靠接力来实现的。就像无数人排成长队,在工地上传递砖头那样,每人手里都拿一块砖,左手接到一块砖,右手立刻送出一块砖,只要传砖的口令一下,我们就会看到当一块砖头传进队伍的前头,队伍的末尾就立刻送出一块砖来,就好像这块砖是从前头传过来似的,如图2所示。如果我们在队伍的任何一处去观察,每分钟能传几块砖?所得结果也都会相同的。

图2
图2 🔍原图 (796×261)

电动势与干电池

我们都知道,要维持水的流动。就必须有水位差。水泵本身不能产生水,但它却可以使水位提高,保持一定的位差。同样,要维持导体里有恒定的电流的流动就要有电位差。干电池就具有维持恒定电位差的本领,又叫电动势。我们把具有电动势的装置叫做电源。干电池、蓄电瓶、镍镉电池等都是直流电源。电池可以把储存的化学能转换成电能,而这些电能要靠电子在电动势的作用下传递电量时,才能释放出来。

我们知道,一般在小灯泡上都标有一些数字和符号,如2.2V0.25A或6.3V0.3A等,这表明要点亮这些小灯泡所需要的电压是多少伏(V)和通过的电流是多少安(A)。如果电压不够高,那么电流就会减小,灯泡也就不够亮了。可是干电池生产出来时,所用化学原料,不论电池体积大小都是一样的。所以每个电池的电动势都是1.5伏。怎样才能得到较高的电动势呢?我们常常看到手电筒里放进两个一号干电池,若用来点亮一个2.2伏0.25A的小灯泡,显得格外亮。原来这两个电池实际上是串联起来。所以能够得到3伏的电动势。如果把三个电池串联起来,得到的电动势将是每个电池的三倍,就像三个水泵采用三级扬水,可把水位提高到每级水泵的三倍,如图3所示。这时使电子移动的能力也越大。

图3
图3 🔍原图 (589×599)

半导体收音机的直流电源,根据设计的要求,有1.5伏、3.0伏、4.5伏、6伏、9伏等等。我们可以根据实际所需的电压采用串联电池的办法,把若干电池串联起来,供收音机使用。这里要指出一点,有人把三个新电池和一个旧的电池串联起来作为6伏电源使用,以为这样可以节省一节电池。实际上,失效的旧电池,它本身的内阻也会变大。因此不但失去推动电子的能力而且还会阻碍电子移动,消耗新电池的电能,有时甚至会使收音机产生汽船声,发出嘟、嘟的响声。所以不要把新旧电池串在一起使用。

还有些半导体收音机为了缩小体积,便于携带,常常用5号干电池供电。5号干电池的容量只有0.5安培小时,如果用来点亮0.3A灯泡,连续点只能用1个多小时。如果是小型收音机,开的声音不算太大,每天开一小时,也只能用25天左右。而1号干电池的容量是4.0安培小时,价格虽然比5号干电池贵一倍,但是容量却超过了八倍,所以在家里使用时,用1号干电池串联起来作为外接电源代替机内串联的5号干电池,这样更为经济一点。

由于电池存在内阻,使得每个电池所能提供的最大电流受到了限制。五号电池的内阻比一号电池的内阻大,因此它所能提供的最大放电电流就不如一号电池了。但应注意,电池本身的内阻是不能用电阻表直接去测量的,否则会损坏表头。有时由于需要较大的电流,我们可以采取电池并联的方法。把两个或若干个电池并联起来。如果把三个电池并联起来,得到的电动势和每一个电池的电动势相同,就像三个水泵同时把水扬到相同的高度一样,见图4。如果每个电池的内阻是0.3欧,三个并联后内阻只有0.1欧。当外电路的内阻是1.4欧时,就能提供1安培的电流了。如果只用一个电池,显然是得不到1安培的电流了。

图4
图4 🔍原图 (548×440)

大功率的晶体管交直流扩音机,收录机等,在没有交流电的地方或停电的时候,就可以用干电池或蓄电池供电。当扩音机需要输出较大的功率时,所需的直流电流一般要数安培。例如100瓦扩音机需直流24伏,最大电流可达4安以上。我们可用两个12伏的蓄电池串联起来供电。(王昌辉)