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如图1所示,闭合电键,将电源接到电路中,电路中便有了定向移动的电荷.不少人认为,是电源向外电路提供了电荷,于是电路中才有了电流.电源,是电荷的源泉吗?
我们知道,是定向移动的电荷形成了电流.因而从本质上讲,电流就是定向移动的电荷.这里有两个问题需要搞清楚：一是这些定向移动的电荷来自何处?二是这些电荷定向移动的原因是是什么?以下就来分析这两个问题.
1关于定向移动的电荷的来源
电路中定向移动的电荷,并非来自电源,而来自金属导线.,我们知道：由于金属的原子核对最外层电子的束缚能力较弱,有些电子可能挣脱原子核的束缚而到处移动,成为自由电子.在没有外力作用时,这些自由电子做无规则的热运动,从整体上看,不能定向移动,因而不能形成电流.但是,如果这些自由电子受到沿一定方向的外力作用,则自由电子就可以在无规则的热运动的基础上,产生沿力的方向的定向移动,这样就形成了电流,如图1所示.由此可见,定向移动的电荷来源于金属导体,而不是电源.那么电源起到什么作用呢?
2关于电荷定向移动的原因
当将电源接入电路后,为什么就会产生电流呢?原来,当将电源接入电路后,电源就在外电路中建立了沿着导线方向的电场,导线中的电场给导线中的自由电荷施加了电场力的作用,如图2所示,自由电荷在电场力的作用下,在热运动的基础上附加了一个沿着电场力的方向的定向移动速度,从而使电荷产生了定向移动.所以,电源本质上是给外电路提供了一个沿导线方向的电场,而不是提供了电荷.电源提供的电场又为什么沿导线方向,而不会跑到电线外面呢?这个问题可以用静电平衡一解释.
所谓静电平衡是指：当金属导体置于电场中时,金属导体的中自由电子在外加电场E的作用下定向移动,从而在金属导体的两侧产生了电荷积累,这些电荷又产生了一个与外加电场相反的附加电场,随着电荷的积累,电荷产生的附加电场E′越来越强,导体内部合电场E合等于E-E′越来越弱,最终会使导体内的合电场为零,达到了平衡状态.这种现象称为静电平衡,如图3所示.
当将电源与外电路图联通时,导线中的电场并不完全是电源提供的电场,而是两部分电场共同作用产生的结果：其一是电源正、负极累积电荷产生的电场E′,如图4所示.可将该电场分解为两个方向：沿导线切线方向的分量E∥；垂直于导线方向的分量E⊥.其中垂直于导线方向的分量E⊥使自由电子向导线某一侧聚集,从而使导线的两侧出现正、负净电荷分布,这些电荷分布产生附加电场E′.该电场方向与垂直于导线方向的分量E⊥方向相反,从而削弱电源两极产生的垂直导线方向的电场E⊥,直到使导线中该方向合场强为零,而达到动态平衡状态如图5所示.此时导线内的合电场为沿导线切线方向的电场E∥,所以导线中的电场线始终保持与导线平行,如图6所示.正是在这个电场的作用下,导体中的自由电子定向移动,形成了电流.
综上所述,电源,不是电荷的源泉,而是使导线中自由电荷定向移动的电场的源泉.电源之“电”,理解为电场,而不是电荷.