電子預知開關是關閉的，所以沒有電流嗎？

01-09

一個簡單電路，開關本來是閉合的，忽然打開開關，電流是打開開關那一瞬間就消失的，還是有個時間差，一部分電子不知道通道已經斷開，仍然存在電子定向運動？

僅考慮直流的情景。

開關斷開的那一瞬間，電路中其它地方的電場分布並沒有改變，所以電荷依然還在定向運動。然而電磁波是以光速傳播的，所以開關斷開處電場的擾動傳播到電路中其它地方的時間是極其短暫的，你是察覺不到的。

如果電路的尺度大到幾十萬公里，那麼從開關的閉合/斷開，到電路中各個地方電流的形成/消失的延遲，就是不可忽略的了。

電子在電路中並不是隨意運動的，而是被電場驅動做定向運動。

當開關斷開瞬間，觸頭開斷處會因為電場強度很大，致使空氣被擊穿，因而出現電弧。

由於電弧存在的時間很短，哪怕是交流電源，也因為續流時間短暫，而等效於直流電。對於直流電弧，它具有負電阻特性，也因此能維持電路中的電子在電場的驅動下繼續做定向運動。

下圖是直流電弧的伏安特性曲線：

這張圖來自電器學課本，曲線AB就是電弧的伏安特性曲線。

當電路徹底地開斷後，由於觸頭間的電阻近乎為無窮大，電源電動勢的電勢差主要降落開關觸頭直接，線路中的電子由於失去了電場的驅動力，因而全部停留下來，成為金屬材料中的自由電子。

畢竟開關觸頭間隙中是加有電壓的，如果電壓足夠高，則開關觸頭間隙中的介質有可能被擊穿，因而引發輝光放電或者電弧。此時，線路中的電子才有可能有足夠的電場推動力產生定向運動。

總之，電子的運動與電場密切相關。沒有足夠的電場推動力，電子就不會運動。

電子運動的原因是電場，電場傳播的速度是光速。

而電子宏觀的移動的速度其實很慢，直觀上來舉個例子的話，大概和你看美劇時，進度條的移動速度在一個量級。

斷開的那一下，整個電路中的電場從斷開點以光速消失。

任何位置的電子，在沒有電場的那一刻起停止運動。慣性對於電子來說，基本不存在。

堵車的時候你也看不到前方怎麼堵的

電場：齊步走！（開關閉合）

電子：121 121 121

電場：立定！（開關斷開）

電子：1 2

當然。

電流不能突變，於是在斷開處產生高壓，擊穿空氣，出現電火花。

電子傻傻的，什麼也不知道，只是感覺背後有一股力量在驅動他，就是電勢差。

電子不知道前方的道路通向哪裡，也不知道未來的路有多遠，只能傻傻的跟著其他電子一起走，前方的電子停下了，他也停下，前方的電子又繼續走了，他也跟著。

除了電場的角度，也可以從電感的角度理解。

這是 switching power a to z 里開篇的題目：

以上*理想*電路，當開關閉合時會發生什麼？

幾乎所有中學畢業的人都能指出，電容的電壓會隨時間逐漸變化，如果他學過微積分，還能立刻導出兩端電壓隨著時間的變化函數；

在此過程中打開開關呢？電容保持電壓，電流迅速變成0；

然後換成電感

他依然能指出，電感可以類比成電容，電流依然隨著相同的規律隨時間變化。

這時候打開開關？這時候就需要你真正理解和相信對偶關係：和「電容電路中的電壓」一樣，電感電路中的電流保持不變；通過電弧。

實際電路中，電路元件引腳總是會有電感的，元件本身可能也會有寄生電感，因此由於電感的作用，電流確實不能突變，如果在隔開導體，電流將通過電弧的方式維持。

Ref Further reading

Switching power a to z, 1.3 Understanding the Inductor

Wikipedia: Equivalent series inductance

開關斷開後，電子會繼續根據導體內電場繼續運動並逐步提高（降低）開關處電壓，直到達到各端電源電壓，導線中電場為0，電流消失。根據開關斷開後的電容決定這段時間的長短，一般是極短的。

電生磁，磁生電。根據麥克斯韋方程，在開關導通時，有電流流過通路，變化的電場就會產生磁場(比如通電導線產生磁場)，當開關斷開時，磁場發生變化，變化的磁場產生電場，電子就會在這個電場作用下繼續流動，時間較短，進而在開關兩端產生高電勢差，擊穿空氣放電。

公路上的汽車預知了前方堵車，所以停了下來。

這樣說可以嗎？

空氣也有電導率，斷開的那一瞬間可以按照另外一個模型來計算

電流的流動就像是傳送帶一樣，中間哪個地方停止了，後面的也就跟著停了。後面你們物理老師應該會和你講如何計算，電子流速度的

電子的運動從來就不是能量傳遞的原因，而是附帶的效果。

沒必要考慮電流斷開。如果假設導線本身在30萬公理處是斷開的，那電流在最初的時候會向前走動嗎？