异种金属生成电流演示器的制作*

付金喜

高中物理选修教材3-1第二章《恒定电流》中第二节《电动势》中的“科学漫步”环节介绍了生活中的各种电池，如太阳电池、干电池、锂电池、锌汞电池、铅蓄电池等；高中物理选修教材3-3的第十章《热力学定律》中第六节《能源与可持续发展》也介绍了各种新能源；高中物理教材选修1-1第一章《电场 电流》中第五节《电流和电源》中也介绍了各种电池，意大利物理学家伏打在重复了迦伐尼实验后提出：产生电流的关键在于两种不同金属的连接，肌肉只起到检验作用。基于以上的教材使用依据，为了给学生展示这个有趣的促成最早的“电堆”发明的实验，特制作了该仪器满足教学的需要。

一、设计制作

1.原理

原理一：按经典电子论，金属不同，电子逸出功不同，因而金属的自由电子体密度不同。当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者的自由电子体密度存在差异，就会在接触处产生自由电子扩散运动，形成扩散电子流，产生接触电动势(也称帕尔贴电势)。一般接触电动势并不大，其数量级在10-2～10-3伏之间。

原理二：对于多种金属(含两种)连成的回路，在各接触点温度相同的条件下，闭合回路的总电动势为“0”，因而不能在回路中建立稳定电流。意大利物理学家伏打对电流的早期研究做出了重要贡献，他将导体分为第一类导体(金属)和第二类导体(潮湿导体)，并发现产生电循环的本质条件是：必须由两种不同的第一类导体和第二类导体组成回路。1799年，他发明了一种直接倍增两类导体的组合接触法，这就是一片片潮湿的纸板隔开的一对对锌板和铜板组成的伏打电堆。他还发明了第一个伏打电池组。本作品中，用两种不同材质金属和手(第二类导体)接触产生接触电势差，因此，整个回路就有稳定电流。

原理三：可以用原电池原理来解释，将铜片和铁片插入硫酸铜溶液中，铁做负极，铜做正极。铁失去电子发生氧化反应，失去的电子通过溶液给了铜，溶液中的阳离子再来得到这些电子，发生还原反应形成了原电池，现在人就充当了电解质溶液的作用。

以上的3条原理都可以解释该自制教具的工作原理。

2.制作使用的材料

长方形木板1块(430 mm×300 mm)、手型铜板1块、手型铁板1块、微安表（量程为±50 uA)1块、软导线若干、木螺钉多个、黑色橡胶软托4个(从其他废弃仪器上拆卸)。

3.制作方法

(1)使用木螺钉将黑色橡胶软托固定在木板底面4个角上，使木板水平平稳。

(2)将微安表固定在木板中间。

(3)木板左侧固定安装手型铜板，右侧固定安装手型铁板。

(4)铜板和铁板上端固定螺钉，螺钉引出线分别和微安表正负接线柱相连。

图1　自制仪器装置图

图2　实物自制教具作品外观

二、操作步骤

(1)将双手按在两块手形金属板上。

(2)观察电表指针的偏转。

(3)两只手变换方向交叉按压，观察电流表指针偏转方向。

(4)比较不同的实验者操作时，电表指针的偏转幅度。

图3　学生双手放在铜、铁片手型金属板上进行实验

三、实验现象

双手充当连接导体，将2种不同的金属相连接，此时产生了电流。

四、结语

该教具用材简单，趣味性强，既可用作初中物理引入电流知识教学时的教具使用，也可以用在高中电学教学，使学生了解伏打电池的起源和拓宽学生对电池、电动势的理解，还可以作为学校科普活动中的趣味展示仪器。从教学实践中的使用来看，对激发学生兴趣、带动教学高潮、增强教学趣味性都有较好的价值。