电流,特别是持续的电流,是怎样产生的?
许多人都知道怎样产生持续的电流:把导体连接到电源,比如电池,的两端,导体中就会有持续的电流了——只要电源不被烧坏的话。简单!
可是,假如我们因此以为,产生电流的物理过程也很简单的话,就错了。
为了帮助学生真正理解产生持续电流的过程,兰兹伯格主编的高中物理课本介绍了下面的美妙实验:
M是静电起电机;C是平板电容器;E是静电计;L是小灯泡;G是灵敏电流计;K是刀闸,可以拨到H与N两个位置;其余部分是导线。静电计与电容器并联,用来检测电容器两个极板之间的电势差。
首先,将刀闸拨到左边(H)。这时,电容器的两个极板与静电起电机的两级相连。用人手或马达转动起电机。静电计的叶片起初闭合在一起,这时逐渐张开,表明电容器两个极板之间的电势差逐渐增加。在这个过程中,静电起电机对电容器充电。然后,将闸刀转到右边(N)。灯泡发出闪光,然后熄灭(持续时间不到1秒),这表明,电流从灯泡流过,同时,静电计的叶片合到一起,表明电容器放电,两个极板之间的电势差减小到零。接着再将闸刀转到左边,转动静电起电机,给电容器充电;又将闸刀转到右边,电容器放电,灯泡发出闪光。可以一直这样重复。转动起电机时,起电机的一极,比如a,出现过量电子,与它相连的电容器的极板A上也出现过量的电子;同时,起电机的另一极b与电容器的极板B上,出现电子缺失。电容器的两个极板之间产生电场与电势差。在这过程中,外力(比如转动起电机的手臂肌肉或马达)要对起电机做功。当把闸刀转到右边,灯泡与导线将电容器的两个极板连通时,导线两端之间产生电势差,电子过量的部位,即电容器的极板A,沿着导线向电子缺失的部位,即电容器极板B,运动。电容器上的电荷迅速减小,两个极板之间的电场与电势差也迅速减小。电子从灯丝流过时,使灯丝发光。由于电容器很快八点放完,电流只能持续不到1秒钟的时间,灯泡发出闪光后又熄灭。为了延长现象持续的时间,需要不断地将闸刀左转、右转、左转、右转。
可以看出,电容器在这个实验中的作用是将产生电流的两个方面分离开,这两个过程是:(2)用导体将这两个点连接起来,使电荷沿着导体流动。实际上,这两个方面不需要分成两个阶段先后进行,而可以同时并连续地进行。
在上面的装置中,把电容器(连同静电计)拿掉,直接将H与N两个部位连接在一起,就可以做到这一点。这时,起电机的a极通过导线与b极直接连通。只要不停转动起电机,电流就可以在导线内不间断地一直流动。因为,虽然电子不断从a通过导线流动到b,但是,由于起电机一直工作,a与b之间的电势差一直保持。不过,当连续工作时,一般的起电机产生的电流太弱,不足以让灯泡发光。为了看出电路中的电流,可以把一个灵敏电流计G连到电路中。
显然,为了产生持续的电流,需要一个可以持续将电荷分离的装置(电源)。分离电荷的方法有许多种,比如,可以利用重力实现电荷的分离,像下图这样。有意思吧?