物理爱好者

漫步云涧

电子在电路中是怎样运动的？

张宪魁

金属导体中的电流是电子的定向移动形成的。那么电子在电路中是怎样做定向运动的呢？ 　　有的同学根据一拉开关电灯就亮，猜想一定是发电厂的电子在拉开关的瞬间，飞速地、几乎不费时间地跑到了电灯上。也有的同学猜想电子可能是在电路中一个顶着一个地在作“顶牛接力”。就像小朋友玩的“倒砖游戏”一样（图2－3），当推倒第一块砖时，其他砖将接连不断地被推倒。当然按照这种想法，电子在电路中“顶牛”的速度也必须是极大的，不然电灯，为什么一拉开关灯就亮了呢？ 　　以上猜想虽然都有一定的道理，但是都不对。那么电子在电路中究竟是怎样运动呢？为了说明这个问题，我们先来回想一下游行队伍的运动情况吧。 　　游行开始前，队伍在大街上静静地等候着。当总指挥一声令下，游行开始的时候，队伍中的每个人听到了命令，都动了起来，整个队伍就开始前进了。 　　好！电子在电路中的运动就好像游行队伍一样。 　　闭合开关，接通电路，这就像游行队伍的总指挥一声号令，整个电路上各处的电子都很听话，几乎同时开始向正极前进，形成了电流，电灯亮了。号令传播的速度跟光速相同是300000千米／秒，这样高的速度，以致于北京的电报员一按电报机上的开关，则几乎同时（相隔约为1／300秒）上海电报局的电报机便动作了。 　　应该说明的是，电子开始前进是很及时的，但是前进的步伐却很缓慢。例如，在直径约2毫米的铜导线上，若通过10安培的电流，这时电子定向前进的平均速度才是0．02厘米／秒。按照这个速度前进，电子定向移动1厘米，大约需要45秒！

漫步云涧

话说通路、断路、短路

张宪魁

在连接电路时，常听到有通路、断路、短路三种说法，这三种情况各不相同。 　　通路是指闭合开关接通电路，电流流过用电器，使用电器进行工作的状态。 　　断路是指电路被切断，电路中没有电流通过的状态。除了正常地切断电源，使电路断开外，一般在下列情况下也会出现断路。①用电路连接处接触不良；②用电器内部断线；③电路中电流过大，烧坏保险丝而断路。 　　短路是指电流不经用电器而直接构成回路。短路可分为整个电路短路和部分电路短路。整个电路短路是指电源两端短接（图2－4），这时整个电路电阻很小，电流很大，电路强烈发热，会损坏电源甚至引起火灾。电源短路后，通过用电器的电流几乎为零，用电器也不能工作。部分电路短路是指电路中某一部分电路首尾短接（图2－5）。其后果与上述整个电路短路相似，只是热效应稍小，但是也能使与短路部分串接的电线或元件因电流过大而受损害，甚至也会引起火灾，损坏电源。所以，短路是电路连接时应特别注意避免的一种不正常情况。

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电子在电路中是怎样运动的？

张宪魁

金属导体中的电流是电子的定向移动形成的。那么电子在电路中是怎样做定向运动的呢？ 　　有的同学根据一拉开关电灯就亮，猜想一定是发电厂的电子在拉开关的瞬间，飞速地、几乎不费时间地跑到了电灯上。也有的同学猜想电子可能是在电路中一个顶着一个地在作“顶牛接力”。就像小朋友玩的“倒砖游戏”一样（图2－3），当推倒第一块砖时，其他砖将接连不断地被推倒。当然按照这种想法，电子在电路中“顶牛”的速度也必须是极大的，不然电灯，为什么一拉开关灯就亮了呢？ 　　以上猜想虽然都有一定的道理，但是都不对。那么电子在电路中究竟是怎样运动呢？为了说明这个问题，我们先来回想一下游行队伍的运动情况吧。 　　游行开始前，队伍在大街上静静地等候着。当总指挥一声令下，游行开始的时候，队伍中的每个人听到了命令，都动了起来，整个队伍就开始前进了。 　　好！电子在电路中的运动就好像游行队伍一样。 　　闭合开关，接通电路，这就像游行队伍的总指挥一声号令，整个电路上各处的电子都很听话，几乎同时开始向正极前进，形成了电流，电灯亮了。号令传播的速度跟光速相同是300000千米／秒，这样高的速度，以致于北京的电报员一按电报机上的开关，则几乎同时（相隔约为1／300秒）上海电报局的电报机便动作了。 　　应该说明的是，电子开始前进是很及时的，但是前进的步伐却很缓慢。例如，在直径约2毫米的铜导线上，若通过10安培的电流，这时电子定向前进的平均速度才是0．02厘米／秒。按照这个速度前进，电子定向移动1厘米，大约需要45秒！

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话说通路、断路、短路

张宪魁

在连接电路时，常听到有通路、断路、短路三种说法，这三种情况各不相同。 　　通路是指闭合开关接通电路，电流流过用电器，使用电器进行工作的状态。 　　断路是指电路被切断，电路中没有电流通过的状态。除了正常地切断电源，使电路断开外，一般在下列情况下也会出现断路。①用电路连接处接触不良；②用电器内部断线；③电路中电流过大，烧坏保险丝而断路。 　　短路是指电流不经用电器而直接构成回路。短路可分为整个电路短路和部分电路短路。整个电路短路是指电源两端短接（图2－4），这时整个电路电阻很小，电流很大，电路强烈发热，会损坏电源甚至引起火灾。电源短路后，通过用电器的电流几乎为零，用电器也不能工作。部分电路短路是指电路中某一部分电路首尾短接（图2－5）。其后果与上述整个电路短路相似，只是热效应稍小，但是也能使与短路部分串接的电线或元件因电流过大而受损害，甚至也会引起火灾，损坏电源。所以，短路是电路连接时应特别注意避免的一种不正常情况。

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绝缘体变导体

张宪魁

有一天小明给同学们做了一个实验。他拿来一只废旧的白炽灯泡，小心地敲击灯泡的玻璃外壳，留下里面的玻璃柱和两根铜丝。并且像图2－6那样把两根铜丝接入电路。开始时电路中的灯泡不亮，因为两根铜丝与玻璃柱相连，而玻璃是不导电的绝缘体。小明拿一只酒精灯，给玻璃柱加热。过了一会，灯泡亮了。大家都很惊奇，为什么酒精灯能点亮电灯呢？ 　　原来，在一般情况下，玻璃是绝缘体，因此，用它连接电路当然不会通过电流，灯泡不会亮。可是，绝缘体并不总是不导电的，在一定的条件下，绝缘体也可以变成导体。在加热的情况下玻璃就变成导体了，所以灯泡就亮了。绝缘体变成导体的情况还有，例如，在高电压下，原来绝缘的空气、橡胶、塑料、干木材等都会变成导体。所以，高压变压器附近是不允许人们靠近的，以免触电。纯水是绝缘的，但是，水中若掺有杂质后也就能导电了。有一年暴风雨后，某学校院中低洼处积满了水，恰好一高压线被刮断，落入水中，小孩不懂得科学道理，去水中玩耍，不幸触电身亡。这就是由于雨水落地后变成了导体的缘故。所以我们是要警惕的。

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光溜的高压线



朱继昌



　　220伏的照明电线、380伏的动力电线，表面都包有一层塑料或橡胶制成的绝缘皮。有了这一层绝缘皮，就能有效地防止漏电和触电。但是，如果你去观察野外的高压电线，就会发现，这些上万伏，甚至几十万伏的高压电线，它们不包绝缘皮，表面光溜溜的，在阳光照耀下，闪闪发光。为什么几百伏的电线包有绝缘皮，而几万伏、几十万伏的高压电线却反而不包绝缘皮了呢？

　　原来，在高压下，本来是绝缘的一些材料，如橡胶、塑料、干木材等也会变成导体，就不起绝缘作用了。如果还在高压线上包绝缘皮，就要多花钱，白白浪费财和物。

　　高压电线表面不包绝缘皮，把它吊在高高的铁塔上，就可能由于和铁塔接触而漏电。为了防止这种现象，高压电线总是吊在一长串绝缘很好的瓷瓶下面，使高压线与铁塔绝缘。

　　还要说明一点，安装高压电线时，千万不要在地上拖动。不然的话，由于电线和地面摩擦，本来光溜溜的表面受到损伤，出现许多毛刺，这些毛刺也会产生尖端放电而造成漏电。

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电性塑料的问世







　　日本东京工业大学有一位朝鲜学生，由于只懂得有限的日语词汇，没有完全听懂导师的话，在做“用乙炔气体制取含碳长链的有机高分子塑料”的实验中，使用的关键化学物质超过了用量，结果没有得到通常应有的反应物──黑色粉末，而是出现了酷似金属的银白色膜。这个朝鲜学生非常后悔，而且担心导师会狠狠地批评他一顿。但是这个“错误”的实验却被美国费拉达菲尔实验室的教授们视为“宝贝”，他们立即与这位导师一起研究，并且进一步实验，很快又出现了另一个现象，他们喜出望外。因为当加入少量碘之后，出现了一种异常现象，这种塑料的导电本领竟然会猛增上亿倍。这真是“踏破钱鞋无觅处，得来全不费功夫”，“电性塑料”就这样问世了。

　　这种塑料很快吸引了各国化学家和制造商。许多科学家用它制造了一些电子器件（像无线电仪器上；用的二极管或固态器件，原来它们是用硅或其他半导体材料做成的）；有的用它做成小型实验塑料电池，这种电池比普通电池轻1／3，充放电比铅酸蓄电池要快，寿命也长，能完全充放电1千多次，而铅酸蓄电池有时完全充放电一次就会损坏。这种塑料电池可大大地改进电瓶车的性能，并且可以广泛应用于录像机，或者风力、水力发电站的大型储能系统。总之，科学家认为这种偶然发现的导电塑料具有广阔的发展前景。

　　同学们，在物理学发展史中，由于偶然的机遇而导致科学发现的事是屡见不鲜的。你从这个故事中可以得到什么启发呢？