是電壓產生電流,還是電流產生電壓?

原題目是先有電壓還是先有電流。

另外,電壓、電流二者能否彼此脫離對方,單獨存在?原理是什麼?

相關問題:電壓、電流,本質上是什麼東西?


我是來挖墳的,正巧和群里的小朋友爭論到這個問題,於是就翻到這個了,還引用了上面朋友的理論,順便把我的回答貼在這。

今天和群里和一個小朋友談到了一個問題,問題的起因是這樣的:
我在網上看到了一個笑話——
關於I will notchange, no matter how U change …
文科生:「不論你怎麼移情別戀,我是不會變心的」
理科生:「電流不隨電壓的變化而變化」

本來是一個笑話,可是就是因為這句話,產生了一系列的爭論。起因是,他覺得站在理科生的角度他覺得「電流不隨電壓的變化而變化」是錯誤的。
其實,站在一個準電氣工程師的角度來講,這個現象是可以實現的,具體方案就是一個帶輸出電流反饋的ACG電路而已。然後我告訴他這個是可以實現的,於是小朋友又開始去思考電壓和電流的關係,他覺得有電壓就一定有電流。各位讀者可能也發現,其實問題已經發生了變化,不是「電流不隨電壓的變化而變化」這是否可以實現,而是電壓與電流的相互依賴性。後來又不知道怎麼扯到電勢電場之類的。真是「盡信書不如無書」的現象,讓人無不擔心呀,所以趕快放下手上的活,也不打遊戲了,趕緊寫這麼一篇科普貼。

首先,從兩者的定義說起:

電壓:也稱作電勢差或電位差,是單位電荷在靜電場中由於電勢不同所產生的能量差。
電流:電荷的定向移動,其大小稱為電流強度,是指單位時間內通過導線某一截面的電荷量。

在此,為了便於說明,再引入兩個定義:

在靜電學裡,電勢定義為處於電場中某個位置的單位電荷所具有的電勢能。電勢又稱為電位,是標量,其數值不具有絕對意義,只具有相對意義。為了便於分析問題,必需設定參考位置。通常,一個明智的選擇是將在無窮遠位置的電勢設定為零。那麼,電勢可以做如此工作定義:假設檢驗電荷從無窮遠位置,經過任意路徑,抗拒電場力,緩慢地遷移到某位置,則在這位置的電勢,等於因遷移所做的機械功與檢驗電荷量的比值。在國際單位制里,電勢的度量單位是伏特(Volt),是為了紀念義大利物理學家亞歷山德羅·伏打(Alessandro Volta)而命名。

電場是存在於電荷周圍能傳遞電荷與電荷之間相互作用的物理場。在電荷周圍總有電場存在;同時電場對場中其他電荷發生力的作用。觀察者相對於電荷靜止時所觀察到的場稱為靜電場。如果電荷相對於觀察者運動,則除靜電場外,還有磁場出現。

分析一下上面這四個的定義,不難看出來。電場是真實存在的物理場,具有物理意義,描述電場大小的量叫電場強度,是矢量。而電勢是相對於參考點來講的,是標量,也就是只是描述事物的現象而已。至於電壓,則是在電勢定義的基礎上給出的,所以也是描述一個電場的現象。最後的電流,只和電荷的定向流動有關,只要電荷有定向流動就有電流。

基於以上的分析,可以明白,首先有電壓就一定有電流這句話是錯誤的。因為電壓只是一個描述電場這種物理場現象的一種標定方法,其方向和大小都是和電勢這種標量的參考點的選取有關。
最簡單的例子就是,斷路的電路兩端有電壓但是沒有電流,也就是場是絕對存在的,但場沒有產生效果的對象,也就是電荷。

而有電流就有電壓這句話明顯也是不準確的,只要有電荷的定向移動就會有電流,而這種移動不一定是由於電場引起的,但是有移動之後必然會造成電場的改變,但是不能說改變或者產生了電壓,因為有些情況下電壓這個量是毫無意義的。比如,知乎網友舉出的一個例子:顯像管的原理就是電子束通過初期加速,打在屏幕上形成圖像,而電子束只需要初期加速,不用電壓來維持其定向運動。

還有一個我不懂的例子:至於「帶電粒子束必須先靠電壓加速」的說法,這裡就有一例不靠電壓加速的。極易電離的分子通過高壓環境進入真空環境,這是產生高速分子束的方法之一,相當於篩選出特定方向熱運動的分子。然後在路徑當中剔除電子,就獲得了正電粒子束。

在這裡我也舉一個例子,玻璃魚皮革摩擦,會產生帶電體,這是小學就知道的物理現象。在這個現象中,摩擦力產生電流,當然這過程是因為電勢不對等所以會產生電流,但是產生電流的過程和之後的帶電體的物理現象中,電壓量在此是毫無意義的,因為根本就沒有明確的零電勢參考點。

這兩個半例子,已經足夠說明有電流就有電壓這句話的不準確性了。

當然有電流必定會有電場的變化,而電場的存在不一定會產生電流。這句話是完全正確的。

從以上的說明可以看出來,電壓和電流並沒有必然聯繫。

最後,補充一個關於阻抗的問題,阻抗的定義是:
阻抗是電路中電阻、電感、電容對交流電的阻礙作用的統稱。阻抗衡量流動於電路的交流電所遇到的阻礙。阻抗將電阻的概念加以延伸至交流電路領域,不僅描述電壓與電流的相對振幅,也描述其相對相位。當通過電路的電流是直流電時,電阻與阻抗相等,電阻可以視為相位為零的阻抗。

阻抗是一個複數,其數學含義是基於電壓矢量和電流矢量的。這也就和小明與小明媽媽的關係一樣,只有電壓電流存在之後才有電力學上的物理意義。


都到了認真你就輸了的年齡了,還是要頂著風險來這麼一下,自己都受不了自己。其實還是希望大家在讀書的同時,要保持一個開闊的思維。

一千個人就有一千個哈利波特。
無論什麼論點,都不是除了錯了就是對的。正確與錯誤,和電勢一樣,是一個相對概念,並不是一個絕對概念。

最後,盡信書不如無書,沒有絕對,只有相對。

以上


電壓和電流是兩個獨立的物理量,我覺得不存在先後的問題,舉兩個例子:
一節新的乾電池在兩端開路的情況下,電壓為1.5V,電流為0A;
一段環形的超導體,可能碰巧有10A的電流,但是電壓為0V。

從因果關係來說,電壓和電流也可以互為因果,還是舉兩個例子:
一段導體兩端如果有電勢差(電壓),導體內會自然產生電流;
一個電容,如果從一端有電流流向另一端,電容兩極上就會產生電壓。

[應要把這段評論也加進來吧]
我們知道電流是電子的定向流動,實際上電子本身是一直運動的,你想要獲得一個完全"靜止"的電子是相當不容易的。所以電流的產生不是依賴於電壓的存在,而用電壓來驅動電子只是我們最常用,最易於控制的方法。一根金屬棒在磁場中划動就會產生電子的定向流動,也就是電流,如果這個金屬棒不能形成閉合迴路,那麼就會在兩端產生電壓,這也是一個由電流產生電壓的例子。所以我也說明了電流和電壓的因果關係可以是互為因果的。

[回應一下@劉帥 的答案]
我覺得@陳浩 的觀點是比較全面的。我們現在一致的結論都是:「電壓和電流是沒有必然聯繫的,電壓和電流的變化(這裡特地不用『產生』一詞)都分別有很多不同的方法或者原因。電壓本質上是電場強度的差異,凡是導致電場強度變化的因素,都會導致電壓的變化;電流本質上是宏觀層面電子的定向運動,凡是導致電子運動變化的因素都會導致電流的變化。「所以問題可以歸結為,電流是否在某些情況下可以導致電場的變化?這顯然是可以的。電子本身就具有電場,電子流動自然會改變電場的分布,所以從這個角度來看,電流的存在一定會改變電場的分布。 (不知道@陳浩 是否能解釋一下在超導體中電流對電場的影像,我沒想明白這個)

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好吧,有人可能會問,這裡說的是變化,變化可能是從有電壓變成電壓為0,而不是產生電壓。下面再來說這個問題。

也先拿水流做個類比,當水流向上流動時就會產生水壓,也就是說水向重力場勢能高的方向流動,就會產生水壓。同樣的,如果電流向電勢高的方向流動就會產生電壓。
那麼,有什麼方法可以電流向電勢高的方向運動呢?方法很多,比如@陳浩說的熱力學方法,電離分子束,洛倫茲力,還有化學能,光電效應等。


電流其本質是導體中的自由電子的定向運動
要讓電子定向運動,必須有作用力。這個作用力是電場賦予的,也即電場力
因此,題主的答案是:
先有電場,才有電流。電場在先,電流在後
至於電壓,它只是電場強度沿著導線的降落而已,也即電勢差。電壓是度量電場強度的基本量
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具體內容,可以參考電磁場理論


電場才是本質的。
帶電粒子在場的作用下運動形成電流。
電壓是電勢之差,電勢的導數是電場強度,電勢是標量,很多問題用電勢比較容易處理。


同意@洛心,但是幾個例子不是很嚴謹。我來舉幾個例子。

下面兩個例子是針對曾經有個答案說「電子運動因為電場的電場力」,該答案現已刪去。
電流是電子定向運動,力不是運動的原因。顯像管的電子束只需初期加速,不用電壓來維持其定向運動。
純磁場也可以對電子束產生洛侖茲力,改變其運動方向。加速器就用了這個原理,產生圓形閉合電流。

至於「帶電粒子束必須先靠電壓加速」的說法,這裡 就有一例不靠電壓加速的。極易電離的分子通過高壓環境進入真空環境,這是產生高速分子束的方法之一,相當於篩選出特定方向熱運動的分子。然後在路徑當中剔除電子,就獲得了正電粒子束。

以上兩例已經足夠反駁@鍾卿卿。下面一例我在@鍾卿卿的答案評論中提了:
熱電效應,溫差改變擴散速度,導致電子熱運動不平衡,造成密度差,從而形成電勢差
放在迴路中,由於溫差維持了不平衡的熱運動,電子整體在熱電元件內部逆電場方向而行
拿水流做類比也沒事:我們都知道燒水的時候有對流現象,熱運動造成部分水流逆重力方向而行。

電勢差的產生也不需要電流參與,因此電流和電壓沒有必然聯繫。


僅僅從初中物理的角度,課本中有極為明確的定義:電壓是產生電流的原因。
補一下@劉鶴揚 的評論

電流是指一群電荷的流動。(維基百科)故電流不是單一的電子,所以單個電子雖然不是靜止但要形成通常意義的電流必須有電壓的參與。

即便是超導體,電子運動最初的動力也來自一個電壓。
即便是電容,生成電壓的電流也是由一個電壓產生。
即便是磁場中的感應電流,也是由感應電動勢產生。

故答案是最先有的是電壓。
樓上的長篇大論很有啟發意義,可是我認為是錯的。

自由電荷始終在做無規則運動。而一旦無規則運動變成有規律的定向移動,就形成了電流。物理中把使導體中自由電荷定向移動的原因稱為電壓。故電壓是形成電流的原因。
可見電流與電壓不存在先後,但存在因果關係。

而「電壓、電流二者能否彼此脫離對方,單獨存在?」
舉「理想故障」的例子:

短路的導體兩端無電壓,但有電流;
斷路的導體無電流通過,但有電壓。

故電壓和電流在「理想」的故障電路中的某部分是可以相互脫離存在的。但從整個電路來看,短路中電流是整個電路兩端電壓產生的,又由於歐姆定律而在某部分電路的兩端沒有電壓。

另外,強烈抗議@陳浩 把這個答案放入「盡信書,不如無書」(收集知乎上發現的教材、課件、流行書籍中的錯誤)的夾子,我覺得這幾種看法是不同體系下的不同答案,而不是錯誤。就好像路易斯、布朗斯特-勞里與酸鹼質子理論等之間,不能因為支持一種體系而認為另一體系是錯誤的。


先說結論:通常意義的電流(例如導體中)是在電壓的作用下產生的,但這並非唯一的渠道;而電流則不能直接產生電壓。

(不好意思把問題改了,這樣表述更嚴謹些。如果我沒有理解錯原意的話。本題跟雞生蛋蛋生雞有本質區別。)

首先需要明確兩個定義:
電壓也稱作電勢差或電位差,是單位電荷在靜電場中由於電勢不同所產生的能量差。[1]
電流是指電荷的定向移動,其大小稱為電流強度,是指單位時間內通過導線某一截面的電荷量。[2]

可見,電壓描述的是電場中不同位置的能量差,而電流是一個宏觀量,描述給定截面電荷通過的速度。

所謂電壓的產生,實際上就是指電場的產生。電場一旦形成,其不同能量的位置也就形成了電勢差,也就是電壓。而電流的產生,則需要電荷從宏觀的角度上形成定向移動。在用電阻的兩個引腳連接電池正負極的例子中,在連接的一剎那,電場在導體(引腳和電阻體)中以光速形成,而導體中的電子(或其他電荷載體)則在電場力的作用下開始移動(實際上電荷在導體中磕磕絆絆的運動速度要遠遠高過電池這點電場的影響,只是在宏觀上表現為這些電荷整體移動了)。這時我們可以說,是電壓的存在導致電流的產生。

從能量的角度講也應當是電壓產生電流。還是前面的例子,電池正極電勢高,負極電勢低,電子需要從低電勢點移動到高電勢點(電子帶負電),但是電阻擋路,你不做功就不讓過,怎麼辦?只能靠電池內部的化學能把電子源源不斷的從正極搬到負極了。想給電池充電?對不起,只能靠一個更大的電壓。

注意,電阻兩端的電壓並非由電流所致,無非是電勢的差異,這在電場形成的時刻就已經存在了,但這一時刻電子還未開始定向運動(電子是有質量的,需要一個加速的時間)。歐姆元件兩端的電壓等於電流乘以電阻只是給出了電壓的計算方法,並不是表示電壓的成因。

而@洛心 提到的

從因果關係來說,電壓和電流也可以互為因果,還是舉兩個例子:
一段導體兩端如果有電勢差(電壓),導體內會自然產生電流;
一個電容,如果從一端有電流流向另一端,電容兩極上就會產生電壓。

並不準確。電容兩端的電壓並非由電流所致,很明顯充電的電容在沒有電流的情況下也存在電壓。我能想到的有電流產生電壓的例子就是電磁感應,比如變壓器,可以在次級線圈感應出電壓。單這並非電流的直接作用,而是變化的電流產生的變化的磁場產生了電場。如果此時次級有負載,依然可以說是電場(電壓)產生了電流。

我們知道電流是電子的定向流動,實際上電子本身是一直運動的,你想要獲得一個完全"靜止"的電子是相當不容易的。所以電流的產生不是依賴於電壓的存在

也是值得推敲的。單個電子的無規則運動 不能稱作電流,因為電流是宏觀量,只有在宏觀上討論才有意義。就好比我們不會說一杯「靜止」水中的水分子運動是水流一樣。

最後說下產生電流的其他方法。大家都知道摩擦起電吧,絲綢摩擦過的玻璃棒是帶正電的。如果這時候你把玻璃棒扔出去,就產生了一個瞬時的電流。如果你覺得這個電流不夠持久,可以想想地球。地球是帶負電的(3庫侖?不記得了),過剩的電子分布在大地表面。地球自西向東的旋轉也就在地表形成了一個自東向西的電流。

總之,電流是在外力的作用下情況下產生的。如果它做功,就一定需要持續的外部能量供應才能持續,而這個外部能量的提供者通常就是電場。電荷從電場的高電勢點移動到低電勢點就是電流,而這個電勢差就是電壓。

(說了這麼多,其實還真就跟水一樣一樣一樣的。把電場換成重力場,電壓換成水壓,電流換成水流,電池變成泵,導線是無限粗無阻力大水管,電阻么就小水管或者其他什麼水不好過的。於是就沒什麼可以糾結的了。只是你拿瓶礦泉水揮舞也形成了水流比較有意思了,哈哈。)

[1] 電壓
[2] 電流
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仔細讀了下@陳浩 的答案,感覺的確電流不需要外力維持,類似於慣性。但是電流的從無到有還是需要力的吧,無論是電場力還是什麼力,總之要有能量來源。所以顯像管的例子的確是電壓產生了電流,只是這個電流在真空中不需要電壓來維持而已。但後面這個洛侖茲力的例子就不是很恰當了吧。洛侖茲力只是負責讓電子束在磁場中偏轉,加速(也就是產生和增大電流)的工作還是需要交變的電場完成,因為洛侖茲力不做功的呀。後面那些關於熱的不懂,也么想明白,望不吝賜教。
@鍾卿卿 的答案雖略有偏激,但很多地方也不無道理。


I am here,because U are here.


這個問題弄出如此多的回答,挺有意思的,試著說說我的觀點:

首先,回答者不了解問題提出者所要了解的問題需要達到一個什麼層次。所以很多回答扯遠了。我的理解是問題僅僅是問導體中的電流。那麼,可以回答為:只是因為有了電壓才會有電流(宏觀的電荷定向移動)。

中學的也好,大學的也好,基本回答是:一般條件下,沒有電壓就不會有電流,有電壓不一定有電流;超導條件下,沒有電壓也可以有電流。以下文字中不包括超導的問題。

什麼是電壓?電壓是指某兩點之間的電位差。電位差從何而來,電荷的周邊存在電場,描述電場的分布的是不同點所存在的電位。因此,電位不同的兩點之間就有電壓。
什麼是電流?通俗地說,電流是電荷的定向運動。但電流是一個工程性的宏觀概念,物理之中一個電荷在某種原因下移動一下,並不稱為電流。

一般條件下,沒有電壓不會有電流。在金屬導體中存在自由電子,這些電子有運動,但其方向是隨機的,宏觀上沒有定向的電荷移動,沒有電流。

有電壓不一定有電流。只有存在電壓且有有效的閉合迴路時才會有電流。電流通過任何物質均會受到阻力,這種阻力的差別就是導體、絕緣體的差別。如果雖然有閉合的迴路,但迴路中串接有無窮大的電阻(絕緣體),電流也是流不起來的(嚴格地說,只是電流非常微小)。這是為什麼人們可以穿上足夠絕緣的服裝就可以進行帶電作業的原理,這也相當於有水壓而水龍頭是關著的就沒有水流。要注意的兩點有關電安全的事情:其一,不存在絕對絕緣的絕緣體。加了絕緣只是使得電阻增大電流減小,要使電流為絕對的零是幾乎不可能的。因此,要接觸導體必須有足夠大的電阻隔斷電流。其二,絕緣體能承受的電壓是有限度的(有關絕緣擊穿的更準確的概念是電場強度),一旦電場強度超過其承受的極限就可能被擊穿而導通電流。因此,絕緣不夠時接觸帶電導體是危險的。

也存在一種觀察不到明顯的電流迴路的「電流」。譬如,跟空氣中的一個電極加電壓,當電壓達到足夠大是,電極周圍的電場強度超導過了空氣的承受能力,就會在導體附近產生電暈,進而產生電火花。在電暈、火花中,也是有電流的,這其中的電流在火花的末端擴散到未電離的空氣中,並經此與給導線加電壓的電源地端。

對其他回答中出現的一些特例,做如下說明:

電流是帶電粒子的宏觀定向運動,帶電粒子的運動要有力的作用。這個力,可來源於電場力(電壓,這個是一般常用的電流),可來源於磁場力(磁勢,這個是超導電流),可來源於電荷的熱擴散、電荷密度分布不均勻時的擴散、帶電粒子承受的壓力不均勻時的擴散(這三種一般只在等離子體中容易見到,熱擴散在半導體、熱電偶等中也可以碰到,在電容器、電池等的泄漏電流中也可見到)。

至於加速器中的電荷因磁場的作用(洛倫茲力)而使帶電粒子迴旋,這個是需要帶電粒子有個初速度的,這個初速度一般也是靠電場力(電位差)而產生。電子要脫離原子核的束縛而逃逸,必須接收某種能量,熱能、電磁波的輻射、碰撞、增加電位等均可導致電子逃逸。不過,熱能、輻射等激勵出的電子其方向有隨機性,要向某個目標方向有效地輸運電子,最常用的仍然是利用電場力,一般的離子束源中,哪怕激勵出電子有多種手段,但基本上都有利用電場力驅動電子運動的環節。粒子束中的帶電粒子跑到真空中間後的運動所形成的電流,同樣需要初始速度,這個初始速度也一般是靠電場力而產生的,在真空中如無電場磁場的存在,則只是靠慣性運動。

電容器、電池,充電後存在電壓,這又是另外一個概念。是屬於電荷積聚產生電場的範疇(這種積聚既有純電場的,也有電化學的)。 給電容器加電流電容器就會產生電壓,從而說先有電流後有電壓是錯誤的。沒有電勢差是無法給電池、電容器充電的,這個電勢差就存在於電源裡面。再往細處去,電容器充電後長時間放置,其電荷會逐漸中和電壓消失,在這個過程中其實電容器內部是存在微弱的電流的,這種電荷中和的過程,既有電場力的作用,也有電荷熱運動的作用。

因摩擦或其他原因而產生的靜電荷,會具有相應的電位,對於周邊的某一個點,存在電位差。在這種電位差的作用下,靜電荷會在電位差存在的方向上漂移,這種電流相當於「位移電流」,也不是一般工程上的電流。

如果因摩擦或其他原因產生的靜電荷多到足夠程度,其附近的電場強度足夠強,就會與低電位之間發生電擊穿放電而形成電流,如雷電流。

電磁感應則又是一種電荷運動的原理。在變化的磁場中,電荷會受到力的作用,從而產生電勢、產生電荷的運動,產生電流。

—— 了解到寫科普文章是如何之難了。可以遇到千奇百怪的問題,刺激自己的神經,發現自己從來沒有思考過的問題,知道自己無法輕而易舉地完成淺顯而不犯概念錯誤的解答。


看了一下, 沒有一個滿意答案。
我就來問個問題吧:
I. 運動需要力嗎?
II. 運動能產生力嗎?
牛頓老師, 抱歉了。


以水為比方:
電壓 相當於 水壓;電流相當於水流。
有水壓未必有水流,比如關閉水龍頭的自來水管;
有水流未必有水壓, 比如攪動水產生的漩渦。


如果用和問題一樣的維度和位面回答,自然就是電壓產生電流。電流是電壓在一個可流通路中的電子的運動的表現(引發現象)。

電壓,是電勢差的可感知的表象的定義。變化的電磁場是交互感應的,用一個永磁場切一個有迴路的線圈,就會產生電壓,這就是發電機。把線圈閉合起來就會產生電流。從這麼方面來看,雖然沒有時間上的先後效應,但是有因果效應。

電子本身有電場,所以如果聚集足夠多的電子,在兩極間形成數量差,就形成了電壓,這就是電池充電,所以這也是用外部輸入能量激發電流,電流再形成電壓的情況。電路中,電流也使得電源電壓降低。最終無法克服電阻,電流也就消失了,也就是說電池沒電了。
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問出這個問題屬於常識性錯誤,屬於停在中學知識面裡面。
電壓是因為電場存在,在兩點之間,形成電勢差。
但是這裡提到的電壓,狹義上屬於」感知性」概念。如果我們不在兩點之間放一個導電通路,那麼你就無法感知電壓和電流。換句話說,真空中,有一個電場,但兩點的電勢差,不可觀察,對於感知來說沒有意義。

所以只有在兩點之間放上電子,我們才能感知和觀察到電勢差的存在導致的現象。

在現實中我們生活中無法模擬這麼實驗室背景的場景。所以生活中,我們看到的東西,往往是一個具體的電路。一個電池,連著導線,開關,再到一個用電負載,例如燈。

我很理解,這個問題和電壓電流的概念提出的背景就是基於這種生活場景。

它的本質是這樣的,電路沒有接通時,電壓在兩點之間已存在。但是不存在電子的通路(在低壓環境下,空氣中沒有電離的電子,所以開關觸點暴漏在空氣中是沒有關係的)。
所以我們也體驗不到電流。

當開關接通,實際上我們就是在有電勢差的兩點之間,建立了電子流通的通路,這樣就感受到了電流。

這個場景可以用水在重力場中的流通來模擬感受下。
電勢差,相當於兩個點的高度不同。但是如果沒有水,我們也看不出有什麼差異。
只有在兩點之間挖一條溝,再放入水,才能看到水的流動(相當於電流)。

總之,這個問題,要從愛因斯坦的相對論的角度看:
物質告訴時空如何扭曲,時空告訴物質如何運動。
這兩者不是彼此獨立的,你會發現,這兩句話是糾纏在一起難以區分的。
就好像光的波粒二象性一樣。好像電場和磁場一樣,糾纏在一起,相互作用。


先有小明還是先有小明他媽?
A:廢話,小明是小明他媽生的,當然先有小明他媽。
B:但是,在小明被命名為小明之前,根本不會有人管小明他媽叫「小明他媽」,小明被命名的同時,小明他媽才成為小明他媽,所以邏輯上小明在先,時間上二者同時。
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沒有電流就不叫電壓了,只會叫做電勢差。電壓和電流本來就是為了描述同一個物理現象(帶電粒子在導體中的定向流動)而人為定義出來的兩個物理量,把它們倆當成實體,去爭論什麼時間上、因果上的先後,這種追問方式根本就是無意義的。

* * * * *
誰把問題改掉了?原題「先有電壓還是先有電流」是開放式的,改成「誰產生誰」就預設了你個人的立場。事實上它倆誰也不產生誰,所謂庫倫力、電場、電勢、電勢差、電壓、電流全部都是為了描述帶電粒子的運動而發明出來的概念,根本就不是實體,在實體意義上談誰產生誰根本沒有意義,只能在命名的意義上談邏輯先後關係。


1.基本概念:
電流
:單位時間內流過一截面的電荷量,電流衡量的是空間特定截面的電荷通量速度
電壓:單位電荷在電場中從一點到另一點可獲得的能量。電壓衡量的是空間兩點間相對於單位電荷的電能量差(ΔW / e)。
前者是動能的體現,後者是勢能的體現。

2.基本推到
電流的單元dI是某一極小平面dS的電荷通量速度,其電流密度(相對於單位面積dS的電荷通量速度)【dI  / dS = v * dS * n * dq / dS = v * n * dq ,假設電流方向和小平面垂直】
電壓的單元dU是某一極短距離dl上的能量差,其電場(相對於單位長度dl電能量差)【dU / dl = = dW / e / dl = F / e 】。

3.基本案例

例1:電子電路中電源積聚的電荷形成的電場驅動電路中電荷形成電荷流,當電荷穿越不易通過的電阻時,會在電阻兩端積聚電荷形成電壓降。
例2:電池利用化學能(濃度差導致的擴散運動)產生電流,通過不斷搬運電荷形成端壓,當端壓和濃度梯度力平衡時,電壓趨於穩定。
例3:二極體PN節因為多子的擴散運動(電流)產生節區電子、空穴的流失,形成內建結電場,構成結電壓。
例4:高空水滴和空氣摩擦帶電,將離子運往低層大氣(電流),在大地和低空雲層中產生高壓。
例5:熱電偶兩金屬溫度【電子能態的不同】、電子濃度不同等,致使電子擴散的差異,進而形成電流,電流堆積到兩端形成電勢。
所以,做為能量形態電壓電流可以互相轉化。

至於二者能否獨立存在,我認為不能,因為世界是運動的,電壓(電勢能)電流(動能)的相互轉化是必然的:
例6:斷開的電路部分阻抗大【幾乎沒有載流子】,自然不會有可察覺到的電流【空氣電阻率約為30T Ω*m,有很少量離子會隨電場移動】,如果是在在真空中,也是會有極少量能:態適合的電子從電極脫離,並向正極移動。不過,由於電流過小可以忽略,電勢能可等效為無法轉化為電流,但只要能製造出載流子(高壓擊穿介質,光電效應改變電子能態),同樣能產生電流。
例7:超導材料內部電阻幾乎為0(數量級:10^(-20) Ω),電流可高至上百安培,其內部的運動電子幾乎沒有能量損耗。【量子理論的相關解釋是:在溫度降低條件下,宏觀物體的個體組分會相干地結合起來,進入能量較低的量子態,呈現出的宏觀可見的量子現象。晶格的振動使自旋和動量都相反的兩個電子組成動量為零的庫珀對,根據量子力學中物質波的理論,庫珀對的波長很長以至於其可以繞過晶格缺陷雜質,從而無阻礙地形成電流】此時,其內部其實仍然存在電場,但能量只是在電子的動能勢能之間相互轉化而已。所以等效的從外部看來,內部沒有導向性電場(否則電子會加速),即等效的沒有電壓存在。
例8:摩擦起電源於物質表面對電子的吸引力不同,將部分電荷轉移,當分開物體時,由克服電場力做功產生的動能電流轉化為電勢能(電壓,兩物體之間的電勢能(電壓)增加,如果把該系統看做電容,C變小,Q不變,則U變大。

4.總結
電壓是靜電範疇,他要產生必須的條件是:有帶電電荷的分布。而要產生電荷的分布,只能通過電流【假設最初分子、原子為電中性,不過最初的宇宙是各種粒子的世界,就算是當今,仍然是等離子態的天下,所以該假設其實站不住腳,但確實只有電流才能改變電荷的分布以改變空間電場】,但電流產生一定需要電壓嗎?上面的例子似乎是說電流產生可以通過擴散運動(例2、3、5)、機械運動(例4、8)、磁場等產生,但這些是否又是另一種形式的電場作用呢?

以下一段是個人隨意YY。。。
【機械運動(受力運動)怎麼可能會和電場有關?但我隱隱地感覺到,萬有引力是粒子間作用力的宏觀表象(暗物質的存在是否確切?),或許是電磁作用力的表象,或許是強、弱相互作用力的表象,或許還有隱藏的更深的夸克之間的力。。。如果是電磁作用力的表象,我能如例8中移動帶電體,是通過擠壓或拉升我手臂上肌纖維產生的電磁能量(機械能,這裡的假設暗含:機械能是電磁能的表象),通過我的手作用在物體上】

5.補充
任何兩個事物總有千絲萬縷的聯繫,就像電場和磁場一樣,他們相互交織,譜寫出我們這個世界最美妙的旋律——電磁場
我曾確信,在磁場中作用在運動電荷上的電動力不過是一種電場力罷了,正是這種想法,或多或少促使我去研究狹義相對論——Albert.Einstein)
電場和磁場構成一體的電磁場,它有六個分量,是張量,當所選參考系不同,各分量值不同。
磁場力是運動電荷運動電荷電場力的一部分。


1,我想知道電壓是因為什麼存在的?電勢差是如何形成的?


舉個水電站的栗子。大壩兩側水面有高度差的時候,但是如果沒有打開閘門形成通路,是不會有水流的。所以閘門才是關鍵。。


電壓只是描述電場的一個值,準確的說是電場產生電流。


電流和電壓是一個事情的兩個角度把,兩個正交的概念


電壓好比力,力使電子運動,電子運動就形成了電流,即先有電壓,後有電流。


在電漿與超導體中,這個問題成了形而上學。


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