1.4 電流是怎樣形成的

在金屬導體里，當電子們像馬路上的汽車一樣，朝著同一個方向持續不斷地前進時，就形成了所謂的“電流”。電流的速度很快，快到什么程度？哎呀，我想大家都已經聽說過：每秒30萬千米，和光速一樣。如果從地球到月亮之間有一根電線的話，電流從一頭到達另一頭也就是一眨眼的工夫。看起來電子的運動速度還是蠻快的，能夠迅速地從電線的一頭跳到另一頭，不管它有多長。

不要犯傻，這可不是電子的移動速度。從這頭到30萬千米之外的另一頭，電子的跳躍速度比孫悟空翻筋斗還快，這讓人覺得很不可思議，更何況自由電子名義上很“自由”，但畢竟還受原子核的束縛，而且它是在原子的叢林中前進的，難免還要磕磕碰碰。

在上物理課的時候我們知道，電子的移動速度其實很慢，每秒移動的距離一般不到1mm，比毛毛蟲和蝸牛都慢。但是，當導體兩端的電子同時開始移動時（就像正在行軍的士兵們），我們覺得好像電子真的在一瞬間從一頭到達了另一頭。

感覺到電流的速度是“一瞬間”，或者認為它快到不需要用“速度”來衡量，這只是我們人類的一種普遍的錯覺，因為我們無法制造出一根長到讓電流顯得很慢的電線。如果在太陽和地球之間扯一根電線，那么，當我們在地球這邊接通電源，差不多要在8min之后，太陽那一端的燈泡才能亮起來。

電流不是自發形成的。一根隨隨便便扔在墻角的電線，它里面是不會有電流的。要形成電流，據我所知，最簡單的方法就是找一節電池、一個小燈泡和一根電線，并把它們按圖1.1那樣連接起來。

這是一個幾乎人人都很熟悉的例子，燈泡的一端接電池正極，另一端通過電線接負極，然后這個“玻璃瓶子”就亮了，就這么簡單。

除了這個實驗之外我們還知道，所有電器只能在發電廠開工的時候才會工作。這意味著——而且看上去的確很像——電池或者發電廠會制造電子，而且會源源不斷地把造出來的電子送出去，電流就是這樣形成的。在燈泡或者其他用電的東西那里，電子被吃掉、被消耗，也許是消失了，總之變成了光、熱、使輪子旋轉的動力，等。

這是真的嗎？

如果這是真的，那么發電站必須找一個大瓶子，將大量的電子灌進去，然后用一根電線插到瓶子里，電線的另一頭則通到千家萬戶。這有點兒像液化氣站，在那里貯存了大量的液化氣，當要做飯時，只需要一開閥門，液化氣就來了。

真是個好主意，可是到哪里去找這么多電子呢？要知道，這可不是個小數目，而且，電子們可不是螢火蟲兒，能夠隨隨便便說逮就逮的。這事兒從來沒有人能辦到，永遠也辦不成，除非像有人（我忘了是誰）所說的那樣，“直到蝦學會吹口哨，或者沒有鏡子能看到自己的耳朵。”

沒錯兒，這種想法確實過于天真了，而且會讓科學家們很生氣。要想真正了解電流的成因，需要深入到電池內部。在圖1.1中，當那個裝置開始工作，燈泡開始發光時，電池的作用就像內部安了一個電泵，和水泵一樣，它促使整個線路中的電子像水流一樣不停地循環流動，整個過程如圖1.2所示，圖中的小白點代表正在流動的電子。

很清楚，電子不是憑空產生的，而“發電”也不是勞動人民在制造電子，而是讓導體中原有的電子循環流動。

有幾種方法可以讓電子們運動起來形成電流，最常用、同時規模也很大的方法是建設大型發電廠。在那些地方，工程師們想辦法借助水流或者蒸汽的力量來驅趕電子，讓它們循環往復地流動，這種方法參與的電子多，電流也很強大。相比之下，我們平時所用的電池就屬于無能之輩了。

在原子的層面上，我們知道，電線內部的原子是極大量的、數不清的。當“電泵”開始工作時，它的任務是驅趕自由電子，將它們從電池一端的原子那里奪走，并使它們沿電路繞一圈再回到失去了自由電子的原子那里。這樣，失去電子的原子很著急，而得到電子的原子也不會因為自己的電子多了而高興，它們都急切地想要找回電子或者扔掉包袱而重新達到穩定狀態。在這種情況下，用物理學家們的話說，“電壓產生了。”

電壓是一種吸引力，是由于失去電子和希望重新得到電子而引起的。這是比較抽象的概念，通常只有遠離家門的游子和慈愛的父母才有可能理解。當然，也可以把它想象成一種壓力，把一桶水拎到高處時，它就具備了流動的可能性。

電壓的存在是導致電流產生的原因。在圖1.2中，由于整個電路是處處連通的（燈泡其實也只是一段能發光的導線），所以在“電泵”的作用下，電子在整個電路中循環流動。一個原子被迫丟掉電子后，它馬上又從別處得到電子，然后不斷地重復這個過程，除非“電泵”停止工作。而一旦它停止工作，電壓也就不復存在了。

像大型發電廠里的“電泵”一樣，能夠產生電壓的裝置稱為電源。如果要嚴格一些來說的話，電源的作用是產生持續的電壓和電流。如果你的視力沒有問題，我認為你應當注意到“持續”二字，這是很重要的，否則當你在月黑風高的夜晚趕路時，你的手電筒只亮了一下就沒有電了，而恰巧離你不遠的前面有個大坑，到那個時候你再意識到“持續”二字的重要性，恐怕就來不及了。

另一種電源是電池。這是我們都很熟悉的東西，它和前面所講的發電原理基本一樣，但稍有不同。電池當然非常重要，它使得你可以在任何遠離大型發電站的地方輕便地使用電能來提供照明、發動汽車引擎，接打手機或者邊走邊聽音樂。同樣，也正是因為有了它，一些摩托車才有機會放著震耳欲聾的音響，在城市里一路招搖，好不聒噪。在中學的化學課上，電池的原理已經說得很清楚了。為了不讓那些復雜的化學方程式把本書和你的大腦搞亂，我就不再繼續多說什么了。最主要的是，電池無論如何也不能制造電子，它只是把電子從電池的一端搬到另一端而已。

我們知道電池有兩個極：正極和負極。很多教科書告訴我們，電從電池的正極出來，然后流回負極。實際上，這里有一個小小的誤會，往后你會明白，真實的情況是，電子的運動方向其實是從負極出來，流回正極的。電學的先驅們犯了一個小錯，但無傷大雅，所以就一直沿用下來了。

當然，能夠產生電壓和電流的東西很多，但不一定都能持久，所以用來作為電源可能不會很理想。比如在嚴寒的北方冬季里，你的身體經常會帶電，當你碰到門把手的時候，會產生火花，并伴隨著噼啪聲，甚至會有一些輕微的疼痛感。從微觀上來說，這同樣是因為有些原子失去了電子而另一些原子得到了電子，如果你給它們機會，這些原子當然會迫不及待地重新達到穩定狀態，并給你一點點疼痛，作為你把它們分開這么久的報答。

除了身上的靜電之外，雷電也是電。當天上的云層和地面分別因為得到電子和失去電子而帶上靜電的時候，如果時機合適，放電過程就在隆隆的雷聲中開始了，而且能看到一個明亮的大樹杈。認識到天上的雷電也是電，這是最近幾個世紀的事兒，要在過去，西方人認為它與上帝有關，是上帝發怒的表現。在《上帝也瘋狂》這部電影里，原始部落里的人們覺得這是上帝吃多了，腸胃不太舒服。而在國內，人們一直認為這件事兒是雷公干的。我曾經看過一部電視連續劇《大染坊》，里面有一首詩很有意思，名叫《閃電詠》，是這樣寫的：

天空突然一閃練，

莫非上帝想抽煙？

要是上帝不抽煙，

怎么又是一閃練！

1752年，美國人富蘭克林（1706—1790年）冒著生命危險做了一個風箏實驗。當烏云四合、電閃雷鳴的時候，天上的雷電被引下來產生了火花，與我們在生活中看到的電火花毫無二致。這激發了他的興致，喊他的兒子拿一只火雞來電電。誰知道火雞還沒拿來，他倒先被電暈了。這個實驗證明了雷電和我們平時接觸到的電的確是一回事。

到現在為止，我們已經見識了很多種類型的電源。通常，衡量一個電源的重要指標是電壓，也就是它驅動電流的能力。不同的電源，所提供的電壓也不相同。世界上第一個電池是由意大利人伏特于1800年發明的，后來物理學界就用他的名字作為衡量電壓大小的單位，簡稱為“伏”，或者用大寫的字母“V”來表示。

除了“伏”之外，其他的單位還有千伏（kV）、毫伏（mV）等，它們的關系是

1kV=1000V

1V=1000mV

我們平時所使用的電池，它的電壓是1.5V，這種大小的電壓可以讓手電筒里的小電珠正常發光，但對人體構不成危害（據我的一個同學說他有一次用手捏著電池的兩極睡覺，早上醒來后感覺手很麻木。是不是真的，還有待考證，不巧的是這個同學再也找不到了）。如果電壓超過36V（這個電壓稱為安全電壓，如果電壓比它低，則不會危害到人），你會覺得手臂發麻，有電擊感，不過仍能在眾人面前裝作若無其事的樣子。如果電壓達到220V，也就是我們家里所使用的電壓，你除了會突然發出一聲怪叫，并跳起一支有史以來最難看的舞蹈之外，決不會還有心情去考慮自己的姿勢在別人看來是否算得上優雅。當然，這并不是最高的電壓。從大型發電廠出來的輸電線路上通常會有幾萬伏、幾十萬伏甚至更高的電壓，這樣高的電壓是致命的。光是2006年一年，我就從電視上看到過至少兩例這樣的慘劇，一個是因為盜割高壓電線引起的；另一個則是站在高架橋上往下小便時，水柱碰到了橋下的高壓電線。不管在哪種情況下，人都會被吸在上面，很難掙脫。人的生命是最寶貴的，希望每一年、每一天都不會再有這樣的事情發生。