為什麼電學中，一定要把正電荷的運動方向規定為電流方向，其中不是電子在運動嗎？

01-14

歷史遺留問題。

人們早就知道電的存在了，而且在大量的實驗中總結出，電荷只有兩種，一種是絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的，另一種是毛皮摩擦過的橡膠棒所帶的。早在1733年，查爾斯.琽費就已經將電分為兩種，玻璃電和琥珀電。

總之電有兩種，這不是定義問題而是客觀事實。

至於正負號……當時的電學大家、後來的美國國父富蘭克林認為電是一種流體，摩擦起電的過程就是電量從一個物體轉移到另一個物體，從而導致一方盈、一方虧而出現雙雙帶電的結果（這是正確的）。於是，他（帶有一定隨意性地）把絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電定義為盈餘的，即正電；而把毛皮摩擦過的橡膠棒所帶的電定義為虧損的，即負電。不幸的是，這回國父爺猜錯了，帶負電的那一方才是真正「盈餘」的，因為它在摩擦中得到了額外的電子。

等1897年湯姆遜發現電子，距離電荷正負的定義已經過去了太久——連庫侖定律（1785）都已經確立了百來年了——正負電的定義早就深入人心，所以儘管大家發現原來在導體中傳遞電流的是帶「負」電的電子，也只能沿用舊說法了。

其實道理很容易明白的。

在地圖上，我們總是以正北為正方向，例如中國地圖和世界地圖，我們看到北極一定位於正上方。

規定了地圖上的正方向後，是否會給我們帶來不方便？顯然不會。

人們經常用相似的力學原理來解釋電流現象，例如用庭院中的水管。在缺少任何壓力的情況下，水靜靜地停在水管內，沒有明確的流動方向，這就像在缺少電壓的情況下，電子沒有凈運動方向一樣。然而，當打開水龍頭加上水壓時，水便被迫在水管中流動，產生水流。類似地，給電路施加電壓，電荷就沿凈運動方向定向流動，產生電流。

電荷流動方向有兩種表示方法。一種是用正電荷流動的方向來表示，稱為傳統方向；另一種是用電子流動的方向來表示。

由於種種原因，我們在教學和工程中廣泛使用的都是傳統方向。例如，在電子器件的符號和計算機模擬軟體中所表示的電流方向就是如此。電流方向的爭議來自發現電時人們所做的假設，當時人們認為在金屬導體中流動的是帶正電荷的粒子，後來發現是帶負電荷的電子在導體中運動。

但我們可以明確地說，採用傳統方向並不會給帶來任何影響。

不過，需要注意的是：電流方向與電子流方向恰好是相反的。因此在討論電解液中的電子流時，要特別註明是「電子流」，而不是電流。

提三個問題：

第一個問題：PN結中的電流方向是什麼？
第二個問題：直流電弧中的電流方向是什麼？
第三個問題：電池內部的電流方向是什麼？

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好，現在我來回答這三個問題。

第一個問題的答案：

N型半導體導電性主要是自由電子；P型半導體導電主要是空穴，相當於正電荷。

當P型半導體和N型半導體結合後，由於N型區多數載流子為電子，P型區多數載流子為空穴，因此在它們的交界處就出現了電子和空穴的濃度差，形成了一個空間電荷區。

在空間電荷區形成後，由於正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區形成了內電場，其方向是從帶正電的N區指向帶負電的P區。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，阻止擴散。

要想讓PN結導通形成電流，必須消除其空間電荷區的內部電場的阻力。給它加一個反方向的更大的電場，即P區接外加電源的正極，N區結負極，就可以抵消其內部自建電場，使載流子可以繼續運動，從而形成線性的正向電流。

外加反向電壓則相當於內建電場的阻力更大，PN結不能導通，僅有極微弱的反向電流（由少數載流子的漂移運動形成，因少子數量有限，電流飽和）。當反向電壓增大至某一數值時，PN結將被擊穿（變為導體）損壞，反向電流急劇增大。

這就是PN結的特性。

因此，當PN結處於正向時，是它的多數載流子導電並形成電流。

第二個問題的答案：

電弧的里主要是等離子體，也即負離子和正離子。這裡的負離子就是電子，而正離子就是失去了若干電子後的原子。

結論：在直流電弧里，電子向陽極運動，而正離子則向陰極運動。因此，在電弧里導電的是正負離子，還有金屬蒸汽離子。

由於真空中沒有空氣，因此金屬蒸汽中的金屬離子導電對於真空電弧具有特別的意義。

第三個問題的答案：

我們看下圖：

結論：如圖所示，在電池內部，電流方向經過鹽橋由負極（陰極）指向正極（陽極），電子流e方向則相反，由正極經過鹽橋指向負極。

不過，需要注意的是：Zn與Cu相比，哪個活潑性更高？當然是Zn。因此，在電池內部，越活潑的金屬就越容易失去電子，它的本身被氧化，也即被腐蝕，而陰極的材料則被還原。

金屬的陽離子與金屬本體之間的電位被稱為電極電位。部分溫度在298K時的金屬電極電位如下：

這種反應是電池的基本原理，也是金屬表面被腐蝕的基本原理。

知道Zn-Cu原電池的電壓是多少伏？是：E=0.153-(-0.7618)=0.9148V。調節電解液濃度和溫度後，其電壓可略微升高，大約1V多一些。

這是歷史遺留問題。。

在物理學中，絕大多數正負號問題都是源於人為約定。

作為高中生，我一般的做法是物理學科按正電荷考慮，化學學科按電子考慮。

電流和微觀粒子相比是抽象的概念，沒有實際的實體。而且有點地方的電流還真不是電子移動，比如電解池和原電池內部。

至於為什麼……歷史遺留問題，物理中相當多的不表大小的正負號都是人為規定的。角速度矢量還滿足右手螺旋定則捏，人們習慣右手系了而已。

這裡一個「錯誤」。

最早科學上認為是正電荷移動形成了電流，後來才發現，在導電金屬是帶負電荷的電子在移動，在導電液體是正電荷和負電荷相對一起移動。

後來也就延續了這個正電荷移動的「錯誤」，做為電路分析。