鄧 熠

(廣東省廣州市第十六中學)

電是靜止或移動的電荷(帶電粒子)所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象.在大自然里,電的機制導致了很多眾所周知的效應(yīng),例如閃電、摩擦起電、靜電感應(yīng)等電現(xiàn)象.如果不是劇烈放電,在大部分時候,物體是否帶電是看不見的,但我們可以通過別的性質(zhì)加以判斷.例如物理書上說:物體具有吸引輕小物體的性質(zhì)是因為物體有了電荷,或稱帶了電.

帶電粒子(承載電的單元)包括電子、原子核或者一些離子.一般原子是電中性的,核內(nèi)有幾個質(zhì)子,核外就有等量的電子繞核運行.質(zhì)子帶一個最小單位的正電荷,電子帶一個最小單位的負電荷.一個電子的電荷量很少,我們常說的1庫侖約等于6.25×1018個電子的電荷量.離子是指失去了一些電子或得到了一些電子的原子.把食鹽溶解在水里,水中就存在大量的帶正電的鈉離子Na＋和帶負電的氯離子Cl－,它們比相應(yīng)的原子分別少了和多了一個電子.

電荷只有兩種,要么帶正電,要么帶負電.電子多了質(zhì)子少了就帶負電,電子少了質(zhì)子多了就帶正電.如果一個物體中質(zhì)子和電子數(shù)量一樣多,即使在其局部因為電荷分布不均而表現(xiàn)出帶電的特征,其整體仍是電中性的.

電荷的作用規(guī)律很簡單:同性相斥,異性相吸.這可以歸納為一句話:如果電荷有思想,那么它們總想回到電中性的狀態(tài),把異性吸引過來結(jié)合為一個電中性整體,而同種電荷則離得越遠越好.試想一下,如果同種電荷相互吸引而異種電荷相互排斥,整個世界就會變成兩個團體:一堆是質(zhì)子,一堆是電子,原子便無法存在.

為什么有了電荷就能吸引輕小物體呢? 當帶電體靠近輕小物體時,無論輕小物體是絕緣體還是導體,帶電體產(chǎn)生的電場都將通過極化作用或感應(yīng)作用,使較小物體近端和遠端出現(xiàn)異種電荷.輕小物體離帶電體近一些的地方與帶電體的電性相反,遠端電性相同.庫侖定律告訴我們,電荷間的作用力大小跟點電荷間距離的二次方成反比,顯然,帶電體對輕小物體近端電荷的引力大于對遠端電荷的排斥力,輕小物體受到的合力必然表現(xiàn)為引力.當然,帶電體對“重大物體”也是有吸引作用的,只不過輕小物體更容易被吸起來,其吸引作用更容易被觀察到罷了.

電的性質(zhì)與原子的特征是緊密聯(lián)系的.由于原子太小,不便觀察,在很長一段時間內(nèi)大家都是通過一些實驗現(xiàn)象對原子進行猜測的.

1838年,英國物理學家法拉第抽去玻璃管中的空氣,并以兩根黃銅棒作電極分別焊到管子的兩端,通電后有光從陽極射出,陰極也發(fā)出微弱的輝光.

1858年,德國物理學家普呂克(JuliusPlücker)在觀察放電管中的放電現(xiàn)象時,發(fā)現(xiàn)正對陰極的管壁發(fā)出綠色的熒光.這個熒光是什么引起了人們長時間的爭論.

1897 年,英國物理學家湯姆遜(JosephJohn Thomson)通過研究粒子在磁場和電場中的射線運動發(fā)現(xiàn)其帶電,并測出了粒子電荷與其質(zhì)量的比,這種粒子就是電子.湯姆遜以此為基礎(chǔ)提出了原子的棗糕模型.他認為電子就像棗一樣嵌在正電均勻分布的糕里面(因為那個時候還沒有發(fā)現(xiàn)質(zhì)子).

1909 年,英國物理學家盧瑟福 (Ernest Rutherford)和他的助手用α粒子轟擊金箔來進行實驗.實驗結(jié)果表明,絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進,但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn),并有極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)超過90°,有的甚至幾乎達到180°而被反彈回來,這就是α粒子的散射現(xiàn)象.這個現(xiàn)象宣告棗糕模型的失敗.盧瑟福于1911年提出了含核原子模型,他認為在原子中心,有一個帶正電的、體積很小的,幾乎集中了全部原子質(zhì)量的原子核.在原子核外有與原子核所帶正電荷數(shù)目相同的電子,這些電子在原子核外繞核高速旋轉(zhuǎn).這個高速旋轉(zhuǎn)是為了抵抗核對電子的吸引力,正如地球繞著太陽旋轉(zhuǎn)一樣.(但這種說法也存在問題,電子一旦旋轉(zhuǎn)運動,就會輻射電磁波消耗能量,最終還是會落到原子核里去,所以電子到底為何這么運動還沒有徹底弄清楚.同樣,為何把那么多質(zhì)子束縛在一個小小的核內(nèi)也不是很清楚,這個束縛力現(xiàn)在被物理學家稱為強相互作用.)

既然原子是電中性的,為什么摩擦能起電呢? 摩擦起電是一種比較復(fù)雜的現(xiàn)象,摩擦過程中伴隨著物質(zhì)間的接觸和分離、溫度升高、分子的破裂、熱分解、壓電和熱電效應(yīng)等,它們都對起電產(chǎn)生影響.固體的帶電機理可用雙電層和接觸電勢差來說明.兩種物質(zhì)接觸時,由于不同原子得失電子的能力不同,外層電子的能級不同,會發(fā)生電子轉(zhuǎn)移.當兩種物質(zhì)緊密接觸(其間距小于0.25×10－10m)時,界面兩側(cè)會出現(xiàn)大小相等、符號相反的兩層電荷,稱作雙電層.雙電層間的電勢差叫作接觸電勢差.當雙電層間的接觸電勢差達到一定值后,電子的轉(zhuǎn)移達到平衡.接觸電勢差跟物質(zhì)性質(zhì)和表面狀況有很大關(guān)系,固體的接觸電勢差為10－3～10－1V,最大為1V 左右.金屬與金屬、金屬與絕緣物(電介質(zhì))、絕緣物與絕緣物的界面上都會出現(xiàn)雙電層.由于存在雙電層,兩個緊密接觸的物體分開時,就可能帶電.摩擦可使物體間緊密接觸,增大接觸面積,從而增加電荷量;摩擦還使溫度升高,促進電子的轉(zhuǎn)移.

上文分析摩擦起電中說到的原子得失電子的能力不同,這個很重要,我們擴展開來講講.雖然原子是中性的,但它們并不穩(wěn)定,它們傾向于丟掉或者獲取更多的電子而形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu).到底為什么喜歡丟掉電子或者獲得更多的電子不容易說清楚,可以簡單地認為與原子核的吸引強度有關(guān),能力大的總想吸住更多的電子,要把別人的也搶過來;能力弱的核吸引力不夠強,往往容易把原來屬于自己的電子弄丟.俄羅斯化學家門捷列夫用周期表的形式給出了各種元素的原子的這一特性,這實際上就是元素的化學特性,原子或者粒子得到或者丟掉電子就是發(fā)生了化學變化,得到電子為還原,失去電子為氧化.

圖2中原子的大小也可以幫助我們大概理解這種特性.圖上的編號是元素的核電荷數(shù),即一個原子中的質(zhì)子和電子的數(shù)量.任意一行中從左到右這個數(shù)是增加的,就是右邊比左邊有更多的質(zhì)子和電子.原子越小說明核對電子的吸引力越大.最左邊除了氫之外都是金屬,它們在空氣中都會被氧化,很容易失去一個電子,而送給氧原子.例如鋰在空氣中燃燒生成氧化鋰,即4個鋰原子和一個氧分子作用形成2個氧化鋰分子:

圖2 原子的半徑

你可能注意到了,元素周期表里面最右邊的元素的原子比它左邊的突然“胖”了很多,在整行中既不是最大又不是最小.這一列是惰性氣體,它們不容易和別的物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng),原子的大小剛剛好,既不愿意丟失電子也不愿意搶別人的電子.

一些非金屬元素的單質(zhì)不是單個原子,而是多個原子構(gòu)成的分子,其原因在于它們對于電子的嗜求.氯氣常用來給游泳池消毒,氯化鈉是我們每天吃的食鹽.氯的元素編號是17,它很想有更多的電子,如果一個氯原子周圍都是氯原子,勢均力敵是奪不過來電子的,它只能和另一個氯原子合作,每個原子拿出一個電子作為公用,這兩個電子一會兒在這個原子核周圍跑跑,一會兒去另外一個原子核周圍跑跑.這樣每個核都感覺自己外面多了一個電子.氧元素也是如此,我們呼吸的氧氣,基本組成是氧分子,也是兩個氧原子合作,每個原子拿出2個電子共享.空氣中的氮氣也是兩個氮原子合作結(jié)合在一起,每一對氮原子共用3對6個電子.

相比這些喜歡更多電子的非金屬,金屬往往容易丟掉電子.金屬原子中的很多電子因為核的束縛力不夠強而游離于金屬體內(nèi),這就是自由電子.金屬兩端加上電壓,這些電子就會定向移動形成電流.

下面我們再回到物理.我們已經(jīng)知道電的最根本來源是質(zhì)子和電子,電荷由不均衡的質(zhì)子和電子構(gòu)成.所以原子核是帶電的,電子也是帶電的,一個中性的原子丟了電子,會帶正電.例如前面說到的鋰離子就是鋰原子丟了一個電子,結(jié)果是核內(nèi)有3個質(zhì)子,但核外只有2個電子,總體帶一個單位正電荷.而此時的每個氧離子,則從鋰原子那兒奪得2個電子,核內(nèi)是8個質(zhì)子,但核外有10個電子,總體帶兩個單位負電荷.

電荷的定向移動就是電流,可能是電子移動,也可能是離子移動(例如食鹽水中的鈉離子和氯離子),可能很小,也可能很大(例如很多個核或者電子組合在一起的整體).這個定向移動要和熱運動相區(qū)分,它不是隨機的,是多個電荷的集體運動,加起來不能抵消而會越來越大.電流的方向是人為定義的,以正電荷為基準,所以電子或者帶負電的離子移動的時候就要小心,這些物質(zhì)的移動方向和電流的方向?qū)嶋H是相反的.

我們知道食鹽水是可以導電的,但干燥的食鹽晶體不會導電.如果對食鹽加熱讓它融化則也可以導電.這是因為只有在食鹽水和熔融的食鹽中,鈉離子和氯離子才能在電場的作用下自由移動,而在食鹽晶體中不能.正常情況下空氣是不導電的,但如果存在高溫高電壓情況,空氣就會變成等離子體,就是有很多的帶正電的離子和帶負電的離子,這樣就能導電了.絕緣體在某些外界條件,如加熱、加高壓等影響下,會被“擊穿”,而轉(zhuǎn)化為導體.在未被擊穿之前,絕緣體也不是絕對不導電的物體.如果在絕緣材料兩端施加電壓,材料中將會出現(xiàn)很微弱的電流.導體和絕緣體是相對而言的.晶體一般不導電是因為里面的離子并不能自由移動,而是被束縛在晶格里,在熔融或者溶解的情況下這種晶體結(jié)構(gòu)被破壞,形成自由移動的離子,從而導電.晶體是系統(tǒng)能量最低的狀態(tài),物質(zhì)喜歡處于這種狀態(tài).

圖3 NaCl晶體的微觀結(jié)構(gòu)

在真空熔融通電狀態(tài),鈉離子Na＋順著電流移動到達負極,得到電子變?yōu)榻饘兮c;氯離子Cl－逆著電流移動到達正極,失去電子變?yōu)槁葰?這是工業(yè)獲得金屬鈉的一種重要方式.化學方程式如下:

如果不是在真空中,是不能得到金屬鈉的,因為它會馬上和空氣中的氧發(fā)生作用.同樣,電解食鹽水也不能得到金屬鈉,只能得到氫氧化鈉.事實上很多化學反應(yīng)是要通電進行的,而化學反應(yīng)也能產(chǎn)生電.干電池就是化學能轉(zhuǎn)化為電能.經(jīng)典的鋅錳電池就是如此:金屬鋅筒里面放入氯化銨、二氧化錳之類的物質(zhì),中間插一根碳棒,鋅變成鋅離子跑進干電池的電解質(zhì)中,丟下的電子集聚在鋅筒上,成為電池的負極,這個電子從外面電路回到電池正極——碳棒,然后將錳由四價還原為三價,就是把電子塞給錳離子了.

正常情況下,金屬導電只能依靠自由電子,雖然金屬中存在陽離子,但它們被束縛在晶格上,不能自由移動.熔融狀態(tài)下這些陽離子也可以參與導電.一般熔融之前穩(wěn)定性越高電阻越大,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是原子核的振動加劇,妨礙了電子的移動.熔融后比較復(fù)雜,不同材料情況不同,但都是能導電的.相反,如果溫度降低,金屬的導電性能會增強,有時候達到一個臨界值后,電阻完全消失,呈現(xiàn)超導狀態(tài),可以認為這個時候金屬陽離子的骨架規(guī)規(guī)矩矩,完全不會對電子的移動造成任何阻礙.

金屬中存在自由電子是因為金屬原子核對電子的束縛太弱造成的,它們不僅可以在金屬中跑來跑去,有時候還可以直接從金屬中蹦出來.自由電子從金屬中脫離通常有以下兩種情況:一種情況是加熱的時候,如前面圖1所示的陰極射線管就是加熱的燈絲的電子被導引到熒光屏上產(chǎn)生亮光;另外一種情況是有能量很大且頻率合適的光子打到金屬表面,這就是愛因斯坦研究過的光電效應(yīng).

圖1 陰極射線管(CRT)

電路分析中大部分是金屬導電,根本上都是電子導電.電池的負極是電子往外跑的地方,是電流的終點.而正極是電子的終點,卻是電流的起點.電子的移動形成電流,電流方向與電子運動方向是相反的.電子在導線上跑,只要不經(jīng)過用電器是一點也不費力氣的,只有經(jīng)過用電器它才算是干了活,耗費了能量.電子喜歡偷懶,它不愿意干活,如果有不干活的路它一定走那一條.如果線路斷了它也有理由不干活,就會停在那兒.串聯(lián)是指經(jīng)過其中一個用電器的任意電子都會經(jīng)過另外一個用電器,串聯(lián)意味著必須一個一個經(jīng)過.并聯(lián)是指經(jīng)過其中一個用電器的任意一個電子都不經(jīng)過另外一個用電器,并聯(lián)意味著選擇,且只能選一個.

總結(jié)如下:

1)電源外沒有形成通路,則不會產(chǎn)生電流,電子是不能干活的.

2)電源外有一條通路,沒有用電器,電子就直接出去回來不干活,電源被短路了.

3)如果有一根導線和一個用電器并聯(lián),電子肯定不通過用電器而會直接在導線上運動.

電是看不見的,確實不容易理解.在分析電勢差時我們可以類比氣壓和風.

電池提供了兩個不同的壓強無限大的氣體容器,它們能保持各自的壓強(電勢).風(電子)從正極通過導線、開關(guān)和用電器,吹到負極,風在各個通道的速度就是電流的大小.如果直接用一根導線連接正極和負極,也就是直接將兩個不同氣壓的容器直接接通起來,這個時候電源直接被短路,電流無窮大,非常危險.電路上的用電器相當于風車,被風(電子)吹動而做功,同時降低風速消耗風的能量.風車能持續(xù)轉(zhuǎn)動是因為前后存在壓強差,這個差就是這個用電器上的電壓.開關(guān)決定風道里是否存在障礙物,風道要么是通的,要么被堵死.

電流表和電壓表是放在電路中的,它們對電路有什么影響一定要清楚.電流表的內(nèi)阻很小,可以看作一根導線(導通狀態(tài)的開關(guān)),而電壓表內(nèi)阻很大,可以當作一條斷開的線路(斷開狀態(tài)的開關(guān)).電流表測的是經(jīng)過自己的電流(通風管道的風速).電壓表測的是加在自己上面的電壓,這個電壓也是和它并聯(lián)的用電器上的電壓.圖4-甲中每個燈泡上所加的電壓都是一樣的,等于電池的電壓,干路電流是每個分支電流的3倍.圖4-乙中,干路與用電器的電流大小都一樣,兩個燈泡上面承載的電壓都是電池電壓的一半(電池內(nèi)電阻不計).大家不妨用通風管道、風扇等對比思考一下.

圖4 兩個簡單線路