1.4 电流是怎样形成的

在金属导体里，当电子们像马路上的汽车一样，朝着同一个方向持续不断地前进时，就形成了所谓的“电流”。电流的速度很快，快到什么程度？哎呀，我想大家都已经听说过：每秒30万千米，和光速一样。如果从地球到月亮之间有一根电线的话，电流从一头到达另一头也就是一眨眼的工夫。看起来电子的运动速度还是蛮快的，能够迅速地从电线的一头跳到另一头，不管它有多长。

不要犯傻，这可不是电子的移动速度。从这头到30万千米之外的另一头，电子的跳跃速度比孙悟空翻筋斗还快，这让人觉得很不可思议，更何况自由电子名义上很“自由”，但毕竟还受原子核的束缚，而且它是在原子的丛林中前进的，难免还要磕磕碰碰。

在上物理课的时候我们知道，电子的移动速度其实很慢，每秒移动的距离一般不到1mm，比毛毛虫和蜗牛都慢。但是，当导体两端的电子同时开始移动时（就像正在行军的士兵们），我们觉得好像电子真的在一瞬间从一头到达了另一头。

感觉到电流的速度是“一瞬间”，或者认为它快到不需要用“速度”来衡量，这只是我们人类的一种普遍的错觉，因为我们无法制造出一根长到让电流显得很慢的电线。如果在太阳和地球之间扯一根电线，那么，当我们在地球这边接通电源，差不多要在8min之后，太阳那一端的灯泡才能亮起来。

电流不是自发形成的。一根随随便便扔在墙角的电线，它里面是不会有电流的。要形成电流，据我所知，最简单的方法就是找一节电池、一个小灯泡和一根电线，并把它们按图1.1那样连接起来。

这是一个几乎人人都很熟悉的例子，灯泡的一端接电池正极，另一端通过电线接负极，然后这个“玻璃瓶子”就亮了，就这么简单。

除了这个实验之外我们还知道，所有电器只能在发电厂开工的时候才会工作。这意味着——而且看上去的确很像——电池或者发电厂会制造电子，而且会源源不断地把造出来的电子送出去，电流就是这样形成的。在灯泡或者其他用电的东西那里，电子被吃掉、被消耗，也许是消失了，总之变成了光、热、使轮子旋转的动力，等。

这是真的吗？

如果这是真的，那么发电站必须找一个大瓶子，将大量的电子灌进去，然后用一根电线插到瓶子里，电线的另一头则通到千家万户。这有点儿像液化气站，在那里贮存了大量的液化气，当要做饭时，只需要一开阀门，液化气就来了。

真是个好主意，可是到哪里去找这么多电子呢？要知道，这可不是个小数目，而且，电子们可不是萤火虫儿，能够随随便便说逮就逮的。这事儿从来没有人能办到，永远也办不成，除非像有人（我忘了是谁）所说的那样，“直到虾学会吹口哨，或者没有镜子能看到自己的耳朵。”

没错儿，这种想法确实过于天真了，而且会让科学家们很生气。要想真正了解电流的成因，需要深入到电池内部。在图1.1中，当那个装置开始工作，灯泡开始发光时，电池的作用就像内部安了一个电泵，和水泵一样，它促使整个线路中的电子像水流一样不停地循环流动，整个过程如图1.2所示，图中的小白点代表正在流动的电子。

很清楚，电子不是凭空产生的，而“发电”也不是劳动人民在制造电子，而是让导体中原有的电子循环流动。

有几种方法可以让电子们运动起来形成电流，最常用、同时规模也很大的方法是建设大型发电厂。在那些地方，工程师们想办法借助水流或者蒸汽的力量来驱赶电子，让它们循环往复地流动，这种方法参与的电子多，电流也很强大。相比之下，我们平时所用的电池就属于无能之辈了。

在原子的层面上，我们知道，电线内部的原子是极大量的、数不清的。当“电泵”开始工作时，它的任务是驱赶自由电子，将它们从电池一端的原子那里夺走，并使它们沿电路绕一圈再回到失去了自由电子的原子那里。这样，失去电子的原子很着急，而得到电子的原子也不会因为自己的电子多了而高兴，它们都急切地想要找回电子或者扔掉包袱而重新达到稳定状态。在这种情况下，用物理学家们的话说，“电压产生了。”

电压是一种吸引力，是由于失去电子和希望重新得到电子而引起的。这是比较抽象的概念，通常只有远离家门的游子和慈爱的父母才有可能理解。当然，也可以把它想象成一种压力，把一桶水拎到高处时，它就具备了流动的可能性。

电压的存在是导致电流产生的原因。在图1.2中，由于整个电路是处处连通的（灯泡其实也只是一段能发光的导线），所以在“电泵”的作用下，电子在整个电路中循环流动。一个原子被迫丢掉电子后，它马上又从别处得到电子，然后不断地重复这个过程，除非“电泵”停止工作。而一旦它停止工作，电压也就不复存在了。

像大型发电厂里的“电泵”一样，能够产生电压的装置称为电源。如果要严格一些来说的话，电源的作用是产生持续的电压和电流。如果你的视力没有问题，我认为你应当注意到“持续”二字，这是很重要的，否则当你在月黑风高的夜晚赶路时，你的手电筒只亮了一下就没有电了，而恰巧离你不远的前面有个大坑，到那个时候你再意识到“持续”二字的重要性，恐怕就来不及了。

另一种电源是电池。这是我们都很熟悉的东西，它和前面所讲的发电原理基本一样，但稍有不同。电池当然非常重要，它使得你可以在任何远离大型发电站的地方轻便地使用电能来提供照明、发动汽车引擎，接打手机或者边走边听音乐。同样，也正是因为有了它，一些摩托车才有机会放着震耳欲聋的音响，在城市里一路招摇，好不聒噪。在中学的化学课上，电池的原理已经说得很清楚了。为了不让那些复杂的化学方程式把本书和你的大脑搞乱，我就不再继续多说什么了。最主要的是，电池无论如何也不能制造电子，它只是把电子从电池的一端搬到另一端而已。

我们知道电池有两个极：正极和负极。很多教科书告诉我们，电从电池的正极出来，然后流回负极。实际上，这里有一个小小的误会，往后你会明白，真实的情况是，电子的运动方向其实是从负极出来，流回正极的。电学的先驱们犯了一个小错，但无伤大雅，所以就一直沿用下来了。

当然，能够产生电压和电流的东西很多，但不一定都能持久，所以用来作为电源可能不会很理想。比如在严寒的北方冬季里，你的身体经常会带电，当你碰到门把手的时候，会产生火花，并伴随着噼啪声，甚至会有一些轻微的疼痛感。从微观上来说，这同样是因为有些原子失去了电子而另一些原子得到了电子，如果你给它们机会，这些原子当然会迫不及待地重新达到稳定状态，并给你一点点疼痛，作为你把它们分开这么久的报答。

除了身上的静电之外，雷电也是电。当天上的云层和地面分别因为得到电子和失去电子而带上静电的时候，如果时机合适，放电过程就在隆隆的雷声中开始了，而且能看到一个明亮的大树杈。认识到天上的雷电也是电，这是最近几个世纪的事儿，要在过去，西方人认为它与上帝有关，是上帝发怒的表现。在《上帝也疯狂》这部电影里，原始部落里的人们觉得这是上帝吃多了，肠胃不太舒服。而在国内，人们一直认为这件事儿是雷公干的。我曾经看过一部电视连续剧《大染坊》，里面有一首诗很有意思，名叫《闪电咏》，是这样写的：

天空突然一闪练，

莫非上帝想抽烟？

要是上帝不抽烟，

怎么又是一闪练！

1752年，美国人富兰克林（1706—1790年）冒着生命危险做了一个风筝实验。当乌云四合、电闪雷鸣的时候，天上的雷电被引下来产生了火花，与我们在生活中看到的电火花毫无二致。这激发了他的兴致，喊他的儿子拿一只火鸡来电电。谁知道火鸡还没拿来，他倒先被电晕了。这个实验证明了雷电和我们平时接触到的电的确是一回事。

到现在为止，我们已经见识了很多种类型的电源。通常，衡量一个电源的重要指标是电压，也就是它驱动电流的能力。不同的电源，所提供的电压也不相同。世界上第一个电池是由意大利人伏特于1800年发明的，后来物理学界就用他的名字作为衡量电压大小的单位，简称为“伏”，或者用大写的字母“V”来表示。

除了“伏”之外，其他的单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）等，它们的关系是

1kV=1000V

1V=1000mV

我们平时所使用的电池，它的电压是1.5V，这种大小的电压可以让手电筒里的小电珠正常发光，但对人体构不成危害（据我的一个同学说他有一次用手捏着电池的两极睡觉，早上醒来后感觉手很麻木。是不是真的，还有待考证，不巧的是这个同学再也找不到了）。如果电压超过36V（这个电压称为安全电压，如果电压比它低，则不会危害到人），你会觉得手臂发麻，有电击感，不过仍能在众人面前装作若无其事的样子。如果电压达到220V，也就是我们家里所使用的电压，你除了会突然发出一声怪叫，并跳起一支有史以来最难看的舞蹈之外，决不会还有心情去考虑自己的姿势在别人看来是否算得上优雅。当然，这并不是最高的电压。从大型发电厂出来的输电线路上通常会有几万伏、几十万伏甚至更高的电压，这样高的电压是致命的。光是2006年一年，我就从电视上看到过至少两例这样的惨剧，一个是因为盗割高压电线引起的；另一个则是站在高架桥上往下小便时，水柱碰到了桥下的高压电线。不管在哪种情况下，人都会被吸在上面，很难挣脱。人的生命是最宝贵的，希望每一年、每一天都不会再有这样的事情发生。