電流的本質是什麼?
諸位大神好,請教一些問題,電流的本質是什麼,教科書說是電子的定向移動,那這個移動是繞電路一圈還是在附近震蕩?電子是實體嗎,那為什麼交流電能通過電容,如果不是實體,那電視顯像管發射的又是什麼?謝謝指教。還有大地為什麼可以當做導線?
---------------------------------分割線非常感謝各位的指導,最近看了下《電動力學與電磁學》、《場論》的電磁學部分,以上99%的問題得以解決,謝謝大家。----------------------------------再次更新
建議研讀國外的原文教材或者翻譯版,國外的教材比較通俗易懂,例子和細節描述較多,好理解些。
我本想,點到即止即可。畢竟我也沒有幾十年的工程經驗。但鑒於張老師的粉絲非常多,他的回答影響不小,而且在評論中嚴厲批評了將電流與水流相比較的的觀點,我想我還有有必要多講講,哪怕被噴。
1. 在張老師以及部分其他答案中都認為,電流的產生必須要以存在電場為前提。這個觀點其實並非完全正確。熟悉半導體器件工作原理的人都知道有一種電流叫擴散電流 (diffusion current),由帶電載流子從高濃度向低濃度擴散產生。這種電流不依賴於電場存在的。
2. KCL諸位都熟悉。可是KCL的本質是什麼?是物質守恆。在半導體物理中,有著名的continuity equation
Continuity equation
這個方程描述的是在半導體中,同時存在電場驅動的漂移電流以及非電場驅動擴散電流時(歐姆定律不再適用),量化電流的方程正是借用流體力學中的物質守恆方程。所以張老師的嚴厲批評我認為是沒有道理的。更不應借用他不熟悉的量子力學來恐嚇門外漢。
3. 除了原答案中指出的關於禁帶的錯誤之外,張老師還將原子軌道模型與價電帶導通帶混為一談。 價電帶,導通帶之所以為「帶」,是以理想晶體建立模型時候才有的。不是針對單個原子存在的。
--------以下為原答案-------------------------
張老師@Patrick Zhang對電路及工程的理解我輩望塵莫及。
只是我據我所知金屬晶體(絕大部分)並沒有禁帶,更不存在電子在禁帶與傳到帶之間穿梭。禁帶的概念來自於半導體晶體以及絕緣體晶體。張老師提到的「穿梭」,哪怕是在存在禁帶的半導體和絕緣體,也是電子在價帶與導帶之間穿梭,而非禁帶與導通帶穿梭。
題目下面某"張老師"還真是厲害啊,遇到質疑不正面回應,刪評論倒是很快。
廣義的電流的本質是電荷的定向移動,電荷的載體可以是電子,也可以是離子。
直流電情況下,繞電路一周的是電場,也可以認為電流繞電路一周,因為電荷的定向移動的確是電路一周都建立起來了,至於電子,給某個特定電子足夠的時間,是可以繞電路一周的。
交流電情況下,電流在電路中的確是在振動,也就是你所認為的震蕩,一般普通交流電電路中電流的振動屬於受迫振動,而且振動頻率和本振頻率差別較大,無線電電路中諧振會利用得更多一點。
電子是實體,而電流是可以通過電容的,不管是直流電還是交流電,因為通過電容中絕緣區域的是電場而不是電子,電場是能夠通過任何介質傳播的(實際上電場不需要介質就能傳播),電容的極板兩端都存在電荷的定向移動,然後堆積在極板上建立了一個反向的電場,當這個反向的電場與電流的電場剛好相抵消時,電荷不再定向移動,電流為0,直流電和某些交流電會遇到這種情況,此時這個時刻,就對應在某些書里說的電容不能讓直流電通過,而真實情況是,此時的電容相當於一個反向放置的電源,其電勢差抵消了電路中其他來源的電勢差的影響,當然就沒有電流啦。而其他的交流電則不會遇到這種情況,因為在反向電場足夠大之前電流的電場已經反向。
電視顯像管陰極發射的是電子束,可以認為是直流電,此時的顯像管相當於一個被擊穿的電容,電子打到屏幕上以後會順著顯像管內塗布的石墨回到陰極形成迴路,以免電子堆積造成的電勢阻礙電子束打到屏幕上。
ps:陰極和陽極之間是真空,這三者形成了一個電容,顯像管顯像的原理是和電容原理沒啥關係,可這並不影響陰極和陽極實質上構成了一個電容吧?我說工作中的顯像管相當於一個被擊穿的電容,可沒說顯像管工作原理是基於電容我們先來看題主的問題:
1)電流的本質是什麼?
2)電子的定向移動是繞電路一圈還是在附近震蕩?
3)電子是實體嗎,那為什麼交流電能通過電容,如果不是實體,那電視顯像管發射的又是什麼?
4)大地為什麼可以當做導線?
這些問題既有物理的(1),也有電學的(2、3),還有電氣工程的(4)。顯然,題主並非並非學生,是職場中人。
既然如此,我就非常該要地解釋這些問題,仔細推敲和解釋就留給其他知友們吧。
第一個問題:電流的本質是什麼?
回答:
電流的本質是導體材料中的自由電子在電源產生的電場的作用下作定向運動。
這個解釋中有幾個名詞,分別是:導體、自由電子、電源電場、電場作用、定向運動。我們來很初步地了解這些名詞的意義。
下圖是元素周期表:
在這張條中,我們看到元素外圍電子S軌道,有的有1個電子,有的有兩個電子。對於元素周期表中的金屬原子,原子核對外圍電子的控制能力不是很強,因此外層軌道中的電子有可能脫離原子核的控制,成為自由電子。
根據量子物理學,我們把電子的能級分為禁帶和傳導帶。禁帶中的電子都被原子核束縛在軌道上,而傳導帶中的電子則成為自由電子。
產生自由電子的原因很多,主要有溫度、輻射等等。電子接受了一點能量後從禁帶進入傳導帶叫做激發,處於激發態的電子還會放出能量返回禁帶。由於金屬導體中的原子數量是天文數字,當然自由電子的數量也是天文數字。
於是,自由電子就如同海洋中的海豚一般,在金屬原子禁帶和傳導帶中進進出出。由於電子的數量眾多,於是整塊金屬或者金屬導體就如同浸泡了自由電子的海綿一般。
現在,我們對這塊金屬海綿導體中的自由電子施加電場力,於是自由電子就在導體中產生定向運動,運動方向是從電池的負極指向正極。
由於歷史的原因,人們認為電流方向是電池的正極指向電池的負極。好在這種規定與實際情況也不衝突,相差只是一個正負號而已。因此我們把實際運動著的自由電子叫做電子流,而把傳統意義上導體中的電子叫做電流。
需要注意的是:
1)電流是被電場力推動才能做定向運動的
當載入電場的瞬間,電場以光速在整個導體迴路中傳播,並即時使得整條迴路中所有參與導電的自由電子同時做定向運動;若電場撤離,則自由電子也即時停止定向運動。
2)由於電場是對導體迴路中所有自由電子同時產生作用,因此在導體的任意截面,在任意時刻流進和流出的自由電子數量之和等於零。
也就是說,導體中的自由電子不會產生堆積。
這種現象是基爾霍夫電流定律KCL的成立的原因,也即「串聯電路中電流處處相等「的原因。
3)即使在電場存在的任意時刻,自由電子進出傳導帶/禁帶的數量與未加電場時一模一樣,沒有任何區別。
要證明這一點很容易:當自由電子返回禁帶時它會把能量釋放出來。電子所帶的能量有高有低,所以當電子返回禁帶時,它們所釋放的能量會以某種確定頻率的輻射光的形式(熱輻射)釋放出來,並且能產生某種金屬表面的特殊顏色。我們發現,金屬導體帶電前後,它的表面顏色並未發生改變,這就證明了我們的結論。4)參與導電的不但有自由電子,還有可能是正離子,或者帶了電子的負離子等等。這在電弧、電解池、電鍍池中都能看到,在原電池中也能看到。第二個問題:電子的定向移動是繞電路一圈還是在附近震蕩?回答:現在,我們離開物理學,從電學來解答。我們都知道電路,電路中有電源、導體材料,還有負載。當三者連在一起時,電路中就有電流流過。
顯見,電流當然是在電路中繞行了。我們看下圖:圖1中我們看到了電流,它是繞行的。圖2種開關K已經打開,但開關K的觸頭間出現了電弧,此時的電流是電弧電流。即使在這種情況下,電流仍然是繞行的。
不過,電源建立電場的速度是光速,而電流自身的速度卻是龜速,每秒鐘僅僅只有幾個厘米而已。具體的討論見https://www.zhihu.com/question/53267826。第三個問題:電子是實體嗎,那為什麼交流電能通過電容,如果不是實體,那電視顯像管發射的又是什麼?回答:從電路原理的觀點來看,電容中的電流是因為兩個原因產生的:其一是電容兩個極板上建立電場所致,其二是電容的漏電流所致。前者的電流呈現容性,後者的電流呈現阻性,因此它們的方向是正交的。這兩個電流的合成電流與容性電流方向間夾角叫做介質損耗角,介質損耗角的正切是衡量電容(或者絕緣材料)品質的重要參數。注意:顯像管中發射的電子流與電容效應無關。此電子流是因為在高真空高電壓條件下陰極逸出電子向陽極加速運動造成的。類似地,開關電器觸頭間的電弧也與此有關。
至於為何陰極有電子逸出?這很容易理解:陰極是燈絲,高溫使得電子獲得能量成為自由電子,而強電場又驅動電子流向陽極極板運動,同時偏轉線圈會使得電子流束產生偏移,繼而電子擊打在陽極屏幕上並發出可見光,使得顯示屏上出現我們需要的畫面。下圖是CRT電視機線路圖局部:
注意看顯像管,它的屏幕是陽極。屏幕的第一層是導電的透明鉛膜(或者鋁膜),後面才是顯像顆粒。鉛膜就是高壓陽極。電子束從陰極出來,在高壓電的吸引下射向陽極。
可見,此電子流的運動與電容毫無關係。
第四個問題:大地為什麼可以當做導線?回答:
是的,大地確實可以做導線,但它的導電能力比導體相對較差。如果大地中有鋼筋來作為地網材料,則它的導電能力會比純粹的大地要好得多。在GB50054《低壓配電設計規範》國家標準中,有大地電阻的值,一般規定接地極電阻不得大於4歐,但實測為0.8歐左右。由於大地的電位為零,因此常常用接地來避免出現人身傷害事故。什麼是電流?
中學教材上的標準說法,是電子運動論。但是,很遺憾,這個東西,是在用經典力學的原理來解釋量子力學的範疇,是存在矛盾的。所以中學電學給大家的感覺,似乎是一種知識大概的堆砌,有基本的條理,但是知識點彼此之間缺乏有機的聯繫。而不是象力學體系那樣條理清晰邏輯完整的系統化理論,深入理解存在障礙,於是就硬背吧。。。
從經典力學的角度,採用「電子運動說」來解釋電流現象,表面上說得通,但是實際上深入下去,就存在矛盾。為什麼用經典力學來解釋微觀電子和更微觀的電流現象會行不通?舉個例子——多年以前,電燈剛剛在城市普及的時候,進城的老農民,用個煙袋鍋子湊在電燈上點煙,半天都不著啊。。。——這就是用舊觀念來對待新事物的思想。
自由電子的運動速度為大約10^-5m/s的級別,比我們寫字的速度都小,是如何達到光速的?是輸入了無窮大的能量嗎?可是居然拿個小電池都可以做到「讓電子在各種材質與密度的導線裡面瞬間加速到光速」?——能想通嗎?1、電流,不過是電荷這種性質在物質微粒之間的傳遞,而這種性質的傳遞,一般不需要物質微粒實際的位移。
2、電荷是什麼呢?——電荷什麼都不是,只是附屬於物體的一種反映物質在電性上「平衡與否」的性質,或者說是一種體現正或負暫時不平衡的「二進位」信息。它的「移動」,可以隨著體現它的粒子一起運動,也可以在物質微粒之間互相「感染」而傳遞。這種傳遞,就叫——電流。一切電的問題,都可以從這個根本規律出發。
電荷是物質或者物質微粒的正負電性不等的外在體現,它是一種性質。正如:一個人很高興,那麼「高興」是他攜帶的一種情緒、一種性質,我們不能說,這個人就是「高興」,只能說他攜帶著「正能量」——哈哈,怎麼大叔扯到這裡來了啊。。。總之,電荷也是如此,電荷是物質微粒攜帶的一種性質。
由於電荷只是一種物質屬性,所以,只要在導體內,就可以不受限制地根據「同性排斥異性相吸引」原理進行分布。
3、脫離了實際的物質載體,電荷就不存在了。正如古人所說「皮之不存,毛之焉附?」所以,說「電荷的運動」其實也是不嚴謹的,只是大家習慣這麼說而已。。
剛才說過,電荷的運動,有一種是由於攜帶電荷的物質微粒運動而體現的運動,這種運動的速度不等,也勉強可以「等效」為電流;另外一種,就是電荷這種性質,在物質微粒之間以光速實現「接力傳遞」,這就是通常說的電流,這種情況下,物質微粒都不用牛頓運動,只需要把這種「極性」體現一下,就以光速感應到周圍鄰近的微粒了,以此接力下去,宏觀上就體現為電荷這種性質的光速運動,也就是電流。電流,本質上是一種導體內物質微粒的極性感應(電感應),而電磁波傳遞,本質上是不需要媒介的電磁感應,兩者都是極性感應的傳遞。無線電波也是電磁場自身以光速接力傳遞的一種場,所以它的速度,也是光速,而同樣光速的,還有引力場等的傳遞速度,當然,光,也是一種電磁波。說光速,其實應該說是電速、場速。。。似乎也都可以啊,只是大家把這個名字給了"光"而已。所以說,我們這個三維世界,是一個電磁場的世界,一切物質都是電磁場的宏觀體現。這個世界裡,各種微粒組成的宏觀物體,可以有自己「集群性」的牛頓運動速度,但是這個世界的最高速度,就是電磁場自己傳播的速度——現在叫「光速」。。。
從量子力學的角度,可以用電子云的觀點來解釋原子級別的靜電感應及擴展,如氫原子,電子在球殼電子云中,受到外部電場的影響(同性排斥、異性吸引),瞬間體現在概率分布上的極性體現,而這種極性體現,又可以傳遞給相鄰的其他原子,導致其電子云分布表現出極性的連續性傳遞(類似的大家注意過齒輪組互相之間的傳動嗎,而物質微粒間的極性場的傳遞是類似的,只是速度就是光速而已),這就是電荷的遷移,或者說叫電流。用經典力學的理念,無法解釋這一量子力學的對象——電流的形成。所以它不是電子在運動,而是微觀粒子極性的傳遞。
—————————————————-華麗的分割線———————————————————我們都學過靜電感應,可是世界僅僅是這麼簡單孤立的兩個物體嗎?一個物體被感應後,它會繼續把這個電荷的極性分布特徵以場的形式輻射出去還是吃進肚子里?從這個角度理解,電流也可以看作是一種微觀世界靜電感應的連續傳遞。
so,關於靜電和電流的內容,在微觀上就可以統一起來了:1、 電荷是一切物質或物質微粒的電性平衡與否的一種極性,當一個物質的正負電量不平衡的時候,就表現出帶正電荷或帶負電荷;電荷的產生——物質內部電性的正負總量不對等,那麼正負平衡後剩餘的電量就是其所帶的電量。2、 物質微粒不論是否帶電,都有電荷與其電場的存在,只是,帶電正負平衡的物體,各電荷的電場也彼此抵消。整體不顯示電性。3、 正負電荷有趨於平衡的自然趨勢,於是表現為異種電荷之間的吸引與同種電荷之間的排斥。這是恆的必然體現。順便提一句:能量是什麼?能量就是一種不穩定狀態的標誌,能量就是沒有獲得「衡」而急切趨於「衡」的狀態屬性。4、 由於異種電荷之間的吸引與同種電荷之間的排斥,1) 微觀上,物質內部彼此相鄰的微粒之間的電性,可以互相感染和傳遞,這種感染和傳遞,實際上是微觀粒子為了獲得內部的靜電平衡,順著電場瞬間改變自己的極性,當每一個微粒都這樣做的時候,於是宏觀上就形成電荷的遷移——電流;2) 宏觀上,帶有電的物體,對外也體現出與帶異種電荷物體之間的互相吸引及與帶同種電荷物體之間的排斥的宏觀力的作用,這一作用,表現為靜電力,靜電力就是物體希望獲得靜電平衡的手段和途徑;3) 再同時,宏觀上,不帶電的金屬導體會由於電場的作用而體現出本身內部總量本身平衡的正、負電荷,分別在電場力的作用下,沿外界電場進行分布,體現出對外界引發此分布的帶電體的「近端帶異種電荷,遠端帶同種電荷」的現象,或者內部的正負電荷順著外界電場方向進行分布的現象(注意,不帶電金屬在勻強電場中,也會有靜電感應現象,教材未提),以獲得內部的靜電平衡,這都叫靜電感應。4) 電勢能,本質上是正負電荷互相靠近、同種電荷互相排斥的一種趨勢,這種趨勢的大小,取決於電荷受力的大小和這一趨勢可以發揮作用的距離。電場強度越大,同一電荷受力也就越大,距離越開,可供做功的距離就越大,電勢能就越大。5) 不僅電荷受到電場的作用,電場也同時受到電荷的作用。例如:一個帶電小球放入一個由兩平行板組成的電場中,帶電小球受到多大的電場力,電場同時也受到多大的庫侖力,構成電場的物體——平行板,必然受力,大小相等、方向相反。——對,就是作用力與反作用力!整個系統動量守恆!從這個意義上說,電場力與庫侖力沒有區別。6)電容,就是因為中間絕緣,而彼此不能接觸的異種電荷之間,依靠彼此的相互吸引,而把彼此吸引在極板上「隔河相望」的一個「牢籠」。說簡單點,其實一個開關,在沒有閉合的時候,它就是一個電容。兩塊磁鐵,隔一張紙,吸在一起,儘管磁鐵間無接觸,但是它們就靠彼此的吸引力而把對方固定住了,哪怕一個朝下也不會掉下去。電容的本質與此類似,靠異種電荷之間吸引力隔著極板間介質而彼此吸引在一起,這就是充好電的電容器。其原理,就是異號電荷之間的吸引力。電容器之所以能夠儲存電荷,就是因為異種電荷之間的吸引,把異種電荷彼此隔著絕緣介質而吸引在一起而實現「容」電的。7) 電荷不具有實質,不是具體的物體,所以在電的世界,不能用具體物體的實際形狀和運動來看電的問題。例如用無電阻的導體相連,不論有多遠,無論怎麼拐彎和分岔,都就是同一個點,因為電勢相等。所以才有電路的各種各樣,千招百式。自由電子流動集總成電流,這個好理解。
但電容怎麼回事?怎麼把電容"具像化"?看到"震蕩"一詞我會心一笑,有過同樣困惑。可以把電容想像成這麼個東西:
兩個碗扣到一起(電容殼體),兩個碗中間擠住一層橡皮膜(電介質),兩個碗底打孔連接管路(電線)。把這個系統用水分子(自由電子)充滿,皮膜垂直於地面放置。現在,把整個系統向右傾斜,利用重力模擬一個作用於每一個水分子(電子)的電場。那麼水會有一定的流動,左側碗的水分子擠壓橡皮膜向右移動一點,帶動右側管路的水流。那麼,皮膜左邊的水壓抖動可以通過橡皮膜帶動右邊的水分子抖動(往返運動),雖然兩側的水分子並沒有直接交換。大概能解答題主的首要疑問?
這套解釋系統還有bug,不過重點在於理解電子不交換前提下電流怎麼穿越電容。各種補充細節歡迎討論。橡皮膜的變形,現在的電路系統習慣解釋為水壓擠的,而我更喜歡理解為重力拉的。這兩套解釋分別對應於電壓核心體系 和 電流核心體系,有一定區別。比如上邊說的左邊水分子通過橡皮膜擠壓右邊,我覺得更應該是整個系統在左右搖擺,重力(電場)在帶動所有水分子運動。
橡皮膜兩側壓力差太大,皮膜破裂,電容過壓擊穿。
真實的電容,碗和管路的連接處會比較窄(內阻),所以橡皮膜的響應有延遲,非理想電容器。
電感大概是流量計那麼個東西,其中轉子的慣性特別大。具體細節還沒想好。費米能級(化學勢)有梯度,而且有可移動電荷
看書要仔細,書里寫的應該是帶電粒子,絕對不會是電子。後邊還會給詳細說明,不同的導體中,移動的粒子都是啥。
在p型半導體里認為是正電粒子,至今也無法接受,明明移動的是電子,為什麼要認為是正電粒子,不過考試還是得按書本回答。
在溶液中,是電離後的離子。
n型半導體和金屬導體,才是電子。
金屬物質與其它物質不同的地方,在於其最外層的電子很鬆弛地束縛於原子,電子能夠很容易地逃離原子。因此,滿佈於金屬的內部,有很多未被束縛的電子,毫無目標地遊動,就好像一群無家可歸的醉漢。當施加電壓於一根金屬導線的兩端,這些自由電子會朝著電勢高的一端奔去,這樣,形成了電流。
——《One, Two, Three…Infinity》George Gamow
電流是什麼?本質上來說,電流就是電荷的流動。電荷只不過是一個單位或者概念,電荷必須在有物質基礎的情況下存在。我們之前在第一章提到過載流子這個概念,載流子的移動導致了「電荷的流動」,在生活中,常見的載流子有:導體內的自由電子,電解液內的離子,等離子體中存在的電子和離子,以及之前提到的空穴。
之前提到過,電池能夠在電路中創造電場,根據我們對電場的理解,如果電場越強,那麼電子所受到的電場力就會更大,電子的移動速度也就會更快,在不同的物質中,鍵能越大,化學鍵越牢固,一般相對於金屬鍵來說,共價鍵的能量更高。這就會影響電子在其中的運動速度。我們可以發現:
電池電動勢越大&>兩端電場越強&>電子移動速度越快&>電流越大
鍵能越大&>化學鍵越穩定&>電子更難移動&>電阻越大&>電流越小
我們需要一個方式去判斷電荷移動速度的快慢,因此我們人為引入了電流(Intensity of current)的概念,電流的定義式為:
I=Q/t
這裡的Q代表的是在t時間內通過導體橫截面積的電荷量,除此之外,我們可以通過簡單的等效替代得到下面這個式子:
3-2
其中,n代表的是單位體積內載流子數,e代表的是每個載流子所攜帶的電荷,v代表的是載流子的漂移速度,s代表的是導體的橫截面積。
我們可以通過這兩公式理解很多概念:如果我們並聯兩個橫截面積不相同的電阻,由於兩端的電勢差相等,所以電子的漂移速度也相等,代入3-2,我們可以發現橫截面積大的電阻通過的電流更大,符合併聯電路中電阻越小分得電流越大的規律。同時我們可以分析在不同介質中載流子的漂移速度:在金屬中,由於單位體積內自由電子個數很多,所以電子需要很低的漂移速度就可以達到很高的電流,這個速度以毫米計。不知道大家有沒有看到過閃電的慢動作視頻,閃電的速度可以達到150KM/s,為什麼兩者速度相差如此之大?一是因為閃電的電流本身就大,二是因為單位空氣中的載流子數量遠小於金屬中載流子的數量,所以需要載流子的速度極其之快才能達到如此高的電流。
接下來我們來談一談關於電流方向的定義。在電路中,我們將正電荷定向運動的方向定義為電流的方向,從而電流是從電源的正極流向電源的負極。因為電路中存在的是一個從正極紙箱負極的電場,所以正電荷會移向電源的負極,負電荷會移向電源的正極,在金屬中,自由電子的移動方向與電源方向相反。
這裡需要明確一點:在電路中的同一截面,通過的正電荷數和負電荷數是一樣的。「空穴」這種概念不僅僅存在於半導體中,如果在某種導體中只有一種極性的載流子,那麼就會有著空穴的存在,如下圖,我們選取截面左邊的一個電子向右移動佔據了一個空穴,但同時也在原先位置創造了一個空穴,因此,一個空穴向左移動,一個電子向右移動,通過的電荷數相等。
在有兩種異荷載流子的情況下,通過同一橫截面的正電荷數和負電荷數依然是一樣的,比如在原電池和電解池中,正離子和負離子通過同一橫截面數量相等,同而導致其產物分子數相等。同時,這保證了在導體內任何區域內正電荷數和負電荷數相等,每個區域都呈電中性。就算導線上有著電流,導線依然成電中性。
電流是電子的定向移動,就是字面上的意思。但微觀的粒子具有波粒二象性,說明其不僅具有粒子的性質,還具有波的形式,所以隧穿電流就是這麼來的。
至於電容的交流電流,並不是電子跨過電容,而是導線外的電子積聚在電容極板或電容極板跑出電子形成。大地作為導線是因為其作為低點位,高電位電子會跑到零電位從而發生導電。以上。一句話總結:學到電場力和原子結構後再回頭糾結這個問題就什麼都解決了。
*排版待整理
原答案:看得不明不白,有點把握不住題主的年齡與已掌握的知識,像是剛接觸電路的初二學生又像誤報電工專業的文科生,我權當你是初中生來寫下面這些東西了。涉及內容包括高三的電學和化學(主要是元素)知識。1.電流的本質是什麼?正如教科書所言,是電子在電場力作用下在導線中發生定向移動形成電流。力作用在物體上,物體發生位移,力就對物體做功。而單就運動而言,非常簡單,力產生加速度,加速度產生速度,那麼我們需要解析的就是對電子的力。描述這個實質需要一些公式,有這麼幾個你不知道的物理量和單位我列一下:電荷量q(單位庫倫C),電壓或者叫電勢差U(單位伏特V),距離d單位m,力F(單位牛頓N),電場強度E(單位牛每庫N/C和伏每米V/m),電流I(單位安培A)。下面幾個公式都是你在正常學校學習中花上一星期以上去學習理解的,一時看不懂不要緊。q=It,E=F/q=U/d,R=U/I=ρd/S。閉合電路中,電場方向由正極沿導線指向負極。電場中,負電荷受力,方向與電場方向相反,大小等於Eq。對每個電子而言,它就是受了這樣一個力才產生了運動。三個式子代入變形可得到F=Uq/d,F=ρI^2t/S等能進行解釋的式子,嘗試解釋。
2.電流是怎麼移動的?
電流描述的正電荷移動,實際上動的是電子的負電荷。為什麼?因為攜帶正電荷的原子核比電子重的多且無法自由移動。而在電場力的作用下,電子從電源負極流向正極,這顯然是持續的,有固定方向的。這裡想像一段約一米長的銅線,截面積2.5平方毫米,體積是2.5立方厘米,質量約22.5克,換成物質的量(除以原子質量64)約0.33摩爾,其中電子為(乘以原子序數29)約為1摩爾。假設其中通了1A的電流,那麼每秒鐘通過它截面的電子有多少呢?答案是1庫倫,查百度百科為十萬分之一摩爾的電子。每秒鐘,僅十萬分之一的電子通過截面,顯而易見,承載電流的電子是非常少的。3.交流電為什麼能通過電容?
交流電沒有「通過」電容,而是對電容正向充電後放電,並接著反向充電放電並不斷循環。如果電容器的充電上限不足以應付交流電的單向充電極限,那麼交流電就無法通過電容(實際操作中體現為電容電壓升高至超過電容的擊穿電壓,導致電容被擊穿,電容器被等效為導線電阻或者斷路)。現實世界中不是處處正負電荷平衡的,它允許正負電荷富集。現實中常見的電容有100μF24V,它承載的電荷量不過是2.4毫庫倫,即使與上面寫到的1庫倫比都少到可憐。4.電子是實體嗎?
是。顯像管中發射的是電子,但嚴格來說你看到的不是電子。它是顯像管中的氣體的原子中的電子,受到發射極射出的具有速度的高能電子激發,升至高能軌道以後落回原軌道時釋放出的能量,這個能量在宏觀上以光的形式表現出來。畢竟你看到的只是銅線中十萬分之一的電子,它在稀有氣體發光下根本無跡可尋。5.大地為什麼可以看作一根導線
初中意義上,導線意味著沒有壓降。大地連通萬物,與萬物等勢,因而沒有壓降,也因此可以把大地視作導線。*排版待修改。電容問題P.Zhang講得不夠好,補充一下…
交流電對電容會反覆充電放電,反向充電又放電,這樣循環下去。充放電會產生電流;這個電流不是閉合的迴路,有電荷堆積在電容器內。
對於真空介質的電容器,內部沒有電流通過。對於有介質的電容器,介質內部其實有因為極化程度改變而產生的電流。這個電流比電路中通過的電流要小,整個迴路仍然不是連續的。
漏電流只在工程上需要考慮。物理上會簡單地把它等效於理想電容和電阻並聯。咱物理渣,問一下,我拿著一把電子一直繞操場跑能算電流嗎?電場力作用與在導體中真就那麼必要的嗎?
電是一種能量,看不見摸不著的,這種能量來源於電場。電流其實是電場作用的直觀理解。提供了能量的通路。(當然我並沒有回答問題,而是說了一個基礎知識
電子的定向移動。。。
電子是實體的,原子由原子核和電子組成。原子核由質子和中子構成,而質子和中子由三個夸克構成。總之可以統稱為粒子。
電磁波
題主是學生還是已畢業?電子專業大二大三課程內有的,原諒畢業已久,課本名稱已忘記。
我想問一下電流有速度么。平常開關都是秒開,電流馬上通過。要是傳輸距離較遠,電流是否會變慢。
帶電粒子的定向移動這句話意思是電流的載體是帶電粒子,但是電流本身描述的現象是定向移動對外所消耗的能量。
容性感性器件嚴格來說並不是隔直通交的,有交流電流通過這種器件的原因本質是這兩種器件是儲能元件,接入電路後會內建電場磁場。用電容舉例,由於交流電電壓時刻在變化,電容兩端電壓需要跟電壓源一致以滿足kvl所以會出現交流電流充電現象。而如果是直流源由於電壓不會變化,所以在電路接通一瞬間後電容電壓等於直流源電壓,充電電流為0。嚴格來說,你可以用示波器看到電路接通一瞬間有一個電流尖峰。或者有這麼個現象用市電變直流耦合到一個電容,接通一瞬間旁邊的燈泡會閃爍。電感同理。
電子是不是實體這個主要看你對實體的定義。如果實體的定義是有質量的話,電子應該不是。
大地可以作為導線是因為它可以類比成無數電阻的並聯。電路可以簡化為一個電子在電容之間的運動。電流的本質就是電子在電場力的作用下做很緩慢的定向移動,在外電路消耗電勢能,在電源內補充電勢能。繞一圈。電子是真正存在的,發射槍射的就是它。電容通交流是因為交流的特殊性質,高考不考,就沒特別認真記性,但是很簡單,非常非常簡單。大地之所以能做導體是因為它有一定的導電性,對電荷有一定吸引力,有了通道就吸過去了。電子就是一群孩子,在電源老爸哪裡拿了零花錢之後就跑到所有它能去的地方揮霍,沒了再回來拿
電子是實體,所以電子無法穿過電容。如果電子像顯像管裡面一樣穿過電容,那只是因為電場太強,電介質被擊穿。但是電容是有電流的,麥克斯韋把這種電流叫位移電流,和普通電流一樣都能產生磁場,區別在於電流和電壓之間有90度相移。
個人決定 電流的本質是電能的傳遞和流動 也就是說 流動的是能量而不是電子 電子動的很慢距離也很短
有兩個問題:1,電場的建立速度是光速是怎麼推導出來的?2,為什麼時常會看見路上的路燈依次點亮的情況?
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