第一章电流和电源

第一章五、电流和电源

18世纪末，很多人都在致力于产生令人激动的电火花。意大利医学教授伽伐尼（L

．Galvani，1737 - 1798）发现，用相连的两种金属分别接触青蛙肌肉的两个位置，会引起肌肉的收缩。伽伐尼认为这是一种“动物电”现象。金属只是起了导电的作用。他当时并不知道，这一发现奏响了电磁学辉煌发展的序曲。

意大利化学和物理学家伏打（A．Volta，1745-1827）在重复了伽伐尼的实验后提出，产生电流的关键在于两种不同金属的连接，青蛙肌肉只是起到了检验作用。

基于这种思考，伏打于1800年春发明了能够提供持续电流的“电堆”——最早的直流电源。他的发明为科学家们由静电转入电流的研究创造了条件，揭开了电力应用的新篇章。

图1.5-1意大利在1991年发行的纪念伽伐尼的邮票

图1.5-2伏打电堆：在锌片和铜片之间夹上浸透了

盐水或碱水的厚纸、布斤或皮革，再把几十个这样

的单元叠置起来。

电流

电荷的定向移动形成电流（electric current）。要形成电流，必须有能够自由移动的电荷

——自由电荷。一切导体中都有自由电荷。例如，金属中的自由电子，酸、碱、盐水溶液中的正、负离子，都是自由电荷。

什么条件下自由电荷才能做定向移动呢？

把导体的两端分别接到电源的两极上，导体两端有了电压，这时导体中也有了电场。导体中的自由电荷在电场的作用下发生定向移动，形成电流。

干电池、蓄电池、发电机等电源，它们在电路中的作用是保持导体上的电压，使导体中有持续的电流。

导体中的电流可以是正电荷的定向移动，也可以是负电荷的定向移动。习惯上规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。常用的导线是金属制成的。在金属中，能够移动的是自由电子，电子带负电，所以，金属中电流的方向与电子定向移动的实际方向相反（图 1.5-4）。

在电源外部的电路中，电流从电源的正极流向负极（图1.5-5）。

图1.5-3自由电荷的运动与电流的形成

图1.5-4金属中自由电子的运动

电流有强弱的不同。如果在一定时间内通过导体横截面的电荷比较多，那么电流就比较强。物理学中用通过导线横截面的电荷量

Q 与所用时间t 的比值来描述电流的强弱，这个物理量叫做电流（electric current ），用I 代表：

I ＝Q t

在国际单位制中，电流的单位是安培（ampere ），简称安，符号是A 。电流的常用单位还有毫安（mA ）和微安（μA ）：

1 mA ＝10-3 A

1 μA ＝10-6 A

身体内也有电流。由于心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张活动，血液才能在循环系统中不停地流动。心脏在机械性收缩之前，心肌会产生微小电流并经过身体组织传导到体表。如果在体表放置心电图机上的电极，就能按时间顺序将体表的电压记录下来，形成连续的曲线，这就是心电图。通过心电图，医生可以了解心脏的工作是否正常。

电源和电动势

一个闭合电路由电源、用电器和导线、开关构成。电源的种类比较多，干电池、蓄电池、发电机等都是电源。把电源接到导体两端，导体中就建立了电场，电场使导体中的自由电荷做定向远动，就形成了持续的电流。

图1.5-5 外电路中电流的方向

图1.5-6 心电图

电池是生活中最常用的电源之一。它有两个极，两极间有一定的电压。不同的电源，两极间电压的大小不一样。不接用电器时，常用干电池两极间的电压大约是1.5 V ，铅蓄电池两极间的电压大约是

2 V 。电源两极间电压的大小是由电源本身的性质决定的。电源的这种特性，物理学中用电动势（electromotive force ）来描述，电源的电动势等于电源没有接入电路时两极间的电压。电动势的符号是E ，单位与电压的单位相同，也是伏特。

演示

当电池不接用电器时，直接用电压表来触接电池的两个极，我们会发现不同电池的电动势不同。下面是一组测量结果。

1号干电池

5号干电池 铅蓄电池 手机锂电池 纽扣电池 …… 1.5 V

1.5 V 2V

干电池的电动势约为1.5 V ，可充电的镍氢电池的电动势约为1.2 V 。

电源把其他形式的能转化为电能，提供给用电器使用。各种化学电池把化学能转化为电能，发电机把机械能转化为电能，太阳电池把太阳能转化为电能。

探索者

水果电池

像图1.5-9那样的水果电池，我们也可以自制一个。

同学们可以找来几种不同的水果和铜丝、铁丝，分别做一做。再用电压表测出它们的电动势。比较不同的水果电池的电动势大小。

水果电池具有普通电池的所有特征，而且取材方便，又不会污染环境，但是实际电路都图1.5-7 形形色色的化学电池 图1.5-8 积层电池。电池外壳上的“9V ”字样，表示它的电动势是9V 。

不用水果电池。这是什么原因？

地电流

把两根相同的铁棒插在潮湿的地里，相距10m以上，用导线把它们连接到一只比较灵敏的电流表上，可以看到有电流通过。这就是地电流。两根铁棒的距离不同，它们接地点连线的方向不同，电流也不一样。

我们知道，如果电路中有电流，就一定要有电源。莫非两根相同的金属棒也可以成为一个电池的电极？不对！因为一个电池的两个电极，一定是用不同材料制作的。那么，这个电流是从哪里来的？地电流的成因非常复杂，请你查阅资料，尝试做出解释。

一般说来地电流是比较稳定的，随昼夜、季节有缓慢的变化。有的资料表明，地电流的突然大幅度变化可能与即将发生的地震有某种联系。

图1.5-9水果电池

图1.5-10测量地电流

问题和练习

1．你知道以下电流大概是多少吗？

a．一般手电筒中通过小灯泡的电流

b．电子手表工作时的电流

c．彩色电视机工作时电源的电流

d．人体能长时间承受的安全电流

2．同学们在日常生活和学习中使用了哪些不同种类和型号的电池？为什么不同的电器使用不同的电池？如果电子手表停了，修表师傅怎样判断是否需要换电池？

3．到市场上做调查，看看常用的可充电电池（包括手机使用的电池）有哪些种类，并从它们每次充电后可使用的时间、电池寿命、重量、价格、对环境的影响等方面进行比较。

4．相连的两种金属丝分别接触青蛙的肌肉，会引起肌肉的收缩。对此，伏打和伽伐尼的认识有什么不同？

5．图1.5-11是一块手机电池的标签。你从这个标签中可以丁解关于电池的哪些信息？

图1.5-11一种手机电池的标签