关于稳恒电流的几个问题

职大学报

2008年第2期

关于稳恒电流的几个问题

李建伟

(天津市职工经济技术大学，天津300010)

摘要：本文讨论稳恒电流讲解中的几个关键问题，即电流的方向、电流的形成、电源和电磁学发展史梗概。关键词：稳恒电流：电源；电磁学；电荷；论衡中图分类号：0441

文献标识码：B

文章编号：167l—1440(2008)02—0098—02

普通物理学中的稳恒电流一章在整个电磁学中占有重要地位。就本课程而言，它在静电学与磁学之间起着承前启后的作用。就理工科课程设置而言，它是学习电路基础、模拟电路、电工学等课程的必备基础知识。所以这一章的讲解无论对于物理学课程还是后继课程来讲都是至关重要的。但受各种条件的限制(比如篇幅和课时的限制)课本中对这部分中的几个关键问题讲解得不是十分详细。我在多年的物理教学中不断探讨稳恒电流一章的讲解方法，现把多年积累的经验总结出来与大家分享。

一、关于电流的方向

金属导体内存在稳恒电流时，自由电子做定向移动。电流的方向与自由电子的运动方向正好相反。这件事说起来简单但让学生真正接受却是教学中的一个难点。教材中只用一句话一带而过：“我们可以把实际上负电荷的移动设想为正电荷沿相反的方向移动。”这里的“设想为”三个字显然不足以把两者方向相反这个问题讲清楚。物理学是实验科学，应该从实验的角度把这个问题说清楚，在多数物理实验中，正电荷从这一端移动到另一端跟负电荷从另一端移动到这一端的效果是一样的。比如载流导体在磁场中所受的力，电容器充放电，蓄电池充放电等等。当然也有负电荷定向移动与正电荷反向移动效果不同的例子，比如霍尔效应。事实上正因为有了这种效果不同的现象，我们才有证据说明金属导体中做定向移动的是负电荷。否则我们也许至今都不知道究竟是正电荷还是负电荷在做定向移动。

二、关于电流的形成

所谓金属导体中自由电子作定向移动形成电流，不能理解为某一个电子从电池的负极出发经过导线、用电器、开关再回到电池的正极才形成电流，而是金属导体中各部分的自由电子都在电场力的作用下，共同作定向移动形成电流。这个情况好像自来水龙头一开就有水流出来一样，水管里充满了水，各处的水都在做定向移动。这一点学生往往会

产生错误的理解。以致在学习后面许多知识时会觉得困难。比如有人认为开关必须安装在电灯的前面，否则就不起作用了。产生这种想法就是对电流的形成没有正确理解的缘故。

，

三、关于电源

教材中关于电源的讲解很简单：“在不同类型的电源中，形成非静电力的原因不同，如化学电源(干电池、蓄电池等)中，非静电力来自化学作用。”为了使学生更好地理解非静电力这个物理概念，同时为了电学理论更好地和实际生活及生产实践相结合，稳恒电流一章的教学中应当介绍有关电池的结构和工作原理。电池必须具备两个基本的组成部分：一是具备两种不同的导电材料作为电池的两极，二是具备两极间的导电溶液，一般酸碱盐溶液均可。例如日常使用的碳锌干电池是用锌做成的圆筒作为负极、碳棒即石墨棒作为正极，碳棒周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵水的混合剂所包围，在它与锌筒之间充填着氯化锌的水溶液和淀粉等组成的糊状物，所以干电池其实并不干，如果这些糊状物干了，干电池便失去效用。蓄电池中，放在稀硫酸溶液内的两组铅版，当充电完成时，正极变为二氧化铅，负极是铅。讲解电池的结构后要对电流的方向做进一步的说明，电池的正负两极与导体连接成一闭合回路时，电池外部的电流方向从正极流向负极，这里要着重强调是电池以外的部分。电池内部的电流方向是从负极到正极。直流发电机作为电源时也是这种情况，这一点必须讲清楚，否则后面讲到电磁感应时就会出现混淆。

现代科技发展很快，教师的知识应不断更新并适时地向学生介绍。比如银锌电池和锂电池。银锌电池中由银制成的正极上的活性物质是多孔性银，由锌制成的负极上的活性物质主要是氧化锌，采用氢氧化钾或氢氧化钠作为电解液，经充电后正极上的银变成氧化银，负极的锌变成氧化锌，银锌电池一般装在塑料壳内或装在铝合金或不锈钢的

收稿日期i2007一ll—13

作者简介：李建伟(1955一)．男，天津市人，天津市职工经济技术大学基础部及外语系主任、副教授，研究

法。98

．

向：物理学理论及其教学

外壳内。通常制成纽扣形状，所以也称为微型电池。它单位重量产生的有效能量大约loo—130瓦特／千克，能用在电子手表、计算机内作为电源。大流量放电的银锌电池应用于军事、航空、人造卫星、宇宙航行等方面。

如果用金属锂代替银锌电池中的锌作为负极，就制成锂电池。锂电池单位重量产生的有效能量比银锌电池更大。数码照相机和移动电话中采用的电池多数为锂电池。比锂电池单位重量产生能量更大的是原子电池，原子电池的核心部分是锶一90。它利用锶蜕变产生的能量。通过热电发生器转化为电能。此外为人造卫星上的仪器提供的电源是太阳能电池。这种太阳能电池通常由硅或砷化镓制成。一般是在电子型单晶硅的小片上，用扩散法渗进一薄层硼以得到PN结，然后再加上电极，当太阳光照射到硼的薄层面上时，两极间就会产生电动势，人造卫星上的各种仪器多采用这种太阳能电池作为电源。

四、电磁学发展史梗概

物理老师应该了解电磁学的发展史。电磁学发展史在整个科学技术发展史上占有重要的地位。教师可以适时地向学生介绍电磁学发展史的梗概。

公元一世纪我国东汉时期的科学家王充在他所著的《论衡》

书里记载有“顿牟掇芥”。顿牟就是琥珀，掇芥就是

是有活力的，电就是宇宙的活力，电磁光热是互相联系的。丹麦物理学家奥斯特是谢林哲学的信徒，他从1807年开始研究电磁之间的关系。1820年他在一次讲课时发现讲台上通电导线可以引起旁边磁针的偏转。这一发现验证了电磁之间的相互联系。1822年法国物理学家安培建立了右手螺旋法则，用以阐明电流方向与它产生的磁场方向的关系，他还发现了通电螺线管与条形磁铁有相同的作用。安培假定存在分子电流并且把磁现象归因为分子电流的作用。

1826年德国物理学家欧姆通过实验发现一定温度导体中的电流强度和加在它两端的电压成正比，他把这个比例常数命名为导体的电阻。并且验证了导体的电阻和它的长度成正比和它的横截面积成反比。1847年基尔霍夫在欧姆定律的基础上建立了基尔霍夫定律解决了分支电流的问题。

英国化学家和物理学家法拉第于1821年在日记中写下了一个设想“用磁生电”。开始他企图从静止的磁力对线圈的作用中产生电流，但种种试验都失败了。直至1831年他终于发现当给一个线圈接通电流和切断电流时，它附近的另一个线圈所连接的电流计指针有微小的偏转。此后经过多种实验和总结他建立了法拉第电磁次感应定律。1931年世界上一些物理学家召开专题会议，纪念这个伟大的发现100周年。1833年楞次总结了感生电流的方向与磁场变化的关系．建立了楞次定律。随后感应发电机产生，人们不再依赖伏打电池来获得电流。1867年感应发电机大规模发展，为工业提供了新的能源。

剑桥大学实验物理系主任麦克斯韦，在读研究生课程时就被法拉第的著作所吸引，他曾写过《论法拉第的力线》一文。麦克斯韦在法拉第的实验研究基础上，深入探讨了电场和磁场的变化与相互产生的问题。麦克斯韦认为电场和磁场不只是一个作用范围，而应该赋予物质内容。他认为空间不是空洞无物的，而是充满了一种叫做“以太”的物质，变化着的电场和磁场就在这种物质中传播，因此他预言了电磁波的存在。他在安培和高斯等人对电磁场的研究结果基础之上．，引入了漩涡电场和位移电流两个重要概念，使高斯定理和安培环路定律不仅适用于静电场和稳恒电流的磁场，而且适用于一般的电磁场。麦克斯韦运用他的数学才能建立了著名的麦克斯韦方程组。从这个方程组出发他推算出了电磁波的传播速度，这个速度与当时测定的光速相同，麦克斯韦推断光也是一种电磁波。1873年，麦克斯韦发表了他的著作《论电和磁》，完整地阐述了他的电磁学理论，至今人们仍然认为麦克斯韦方程组是对电磁学理论的高度概

括。

吸引轻小的物体。顿牟掇芥就使摩擦后的琥珀因带电而能够吸引轻小的物体。这是迄今为止人们知道的关于摩擦起电现象的最早记载。王充在《论衡》中还描述了指南针。“司南之杓，投之于地。其柢指南。”柢是勺子的柄，地就是托勺子的盘子。这司南就是我国早期指南针。指南针在公元十三世纪传到欧洲。《论衡》一书中关于摩擦起电和指南针的记载，说明我国古代科学家开始注意到自然界中的电磁现象。

16世纪，吉尔伯特创造了electricity这个词。18世纪的物理家做了一系列定性的观察。1731年在荷兰莱顿成的穆欣布罗克，由于偶然的发现，导致了电容器的原始形式——莱顿瓶的出现。1752年弗兰克林将提出了雷雨云的带电性质的实验证据，弗兰克林将两种电荷命名为positive

＆negative

charge

charge(正电荷和负电荷)中文曾经把它们翻译

成阳电和阴电。

意大利解剖学教授伽伐尼偶然地观察到，在放电火花附近或雷电来临时，与金属环接触的蛙腿发生痉挛。1786年他把刚解剖的青蛙用铜钩串起来放在铁架上时，发现蛙腿收缩了一下，这同蛙腿受到电刺激使痉挛的情景一样。后来他宣称在蛙腿肌肉和神经之间存在相反的电荷。另一个意大利人物理学家伏打反对枷伐尼的观点，他认为引起蛙腿抽动的电来自铜钩和铁架两种不同的金属接触时发生的相互作用。为证实自己的观点，伏打做了大量的实验。直至1799年，伏打把不同的金属片放在酸溶液里通导线连接起来，从而得到了持续一段时间的电流．他证实了自己的观点，1800年他制造出第一个伏打电池。

以谢林为代表的德国唯心主义自然哲学家认为，宇宙

参考文献

(1)李建伟．摩擦起电现象略解【J】．职大学刊，1998．4(2)马文蔚，柯景风改编．物理学【M】．人民教育出版社．(3)申

漳．简明科学技术史话【M】．中国青年出版社．