電流揭秘:電子像水一樣從發電廠流到家裡?

2021-01-09 快科技

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電子的確是會定向移動的,但這個速度大約在零點幾米每秒到幾米每秒(與電流和材料有關),這個速度是相當慢的,而家裡用的電能其實是通過電磁波從負載側面輸入的,這個速度是光速。

不過要澄清一下有的解釋,電流並不適合用水波類比。水波在傳播時倒的確是相互碰撞傳遞能量的,而沒有定向移動。

電子定向運動的速度如此之慢,為什麼我們一按下開關燈馬上就能亮呢?

從電流角度來說,整個電路中都充滿了電子,開關一閉合,所有電子都發生定向移動,燈附近的電子立馬就會流過使之發光,而並不是要等開關處的電子甚至是發電廠的電子流到你的燈裡去。

接著我們討論一下電能傳播的問題,也就是從電場的角度來看。

發電廠的作用是在你的開關兩端提供一個電壓,當你閉合開關時,主角是你的開關,發電廠在哪個位置並不會影響燈亮的速度。

開關閉合時,電路導通,開關周圍的電場發生變化,產生電磁波,電磁波向空間傳播,所到之處電場也隨之建立,電子就開始定向移動。

能量在電阻小的地方幾乎沿著導線表面傳播,電阻越大則越垂直,因而在負載的地方,電能是由外部空間從側面輸入的——而不是通過導線內部的電子運動。

也就是說,電能是光速傳播的,並且是從開關處開始傳播,開關如果離得遠,電能傳到用電器的時間就長。

假如你的開關離燈有一光年遠(假設電壓足夠大),那你的燈要在開關閉合1年後才會亮,關於這個可以看我們之前的一個回答:一根1光年的電線通電,停電時1光年外會馬上停電?

最後和自來水廠對比一下,如果考慮水的循環,直流電路裡電子定向周而復始地運動倒的確和水流相似。

不過事實上,我們家用的交流電,電流方向每秒鐘都會改變100次(這是精確數值,我們國家電網交流電頻率是50Hz,也就是1秒鐘變化50個周期,每個周期方向變2次),電子一會從這邊流過電器,一會從另一邊流過,總體來看電子是不斷振蕩的。

這個振蕩的幅度非常之小,根據我一開始說的電子定向運動速度,不妨取大的10m/s(事實上家用電器是達不到這個速度的),電子每0.01s都要變化一次方向,即使不考慮加速減速過程,電子的振蕩幅度最多也是10釐米。

不用說發電廠,你家門口電線桿的電子都不會跑到你家去,這和自來水是完全不一樣的。

 

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    電子的確是會定向移動的,但這個速度大約在零點幾米每秒到幾米每秒(與電流和材料有關),這個速度是相當慢的,而家裡用的電能其實是通過電磁波從負載側面輸入的,這個速度是光速。從電流角度來說,整個電路中都充滿了電子,開關一閉合,所有電子都發生定向移動,燈附近的電子立馬就會流過使之發光,而並不是要等開關處的電子甚至是發電廠的電子流到你的燈裡去。接著我們討論一下電能傳播的問題,也就是從電場的角度來看。發電廠的作用是在你的開關兩端提供一個電壓,當你閉合開關時,主角是你的開關,發電廠在哪個位置並不會影響燈亮的速度。
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    來自以色列理工學院的科學家首次觀測到分支光流,其研究發現發表在《自然》期刊上,因其重要發現上了《自然》期刊封面。這項研究是由博士生Anatoly(Tolik)Patsyk與Miguel A.Bandres合作進行,Miguel A.Bandres在項目開始時是Technion的博士後研究員,現在是中佛羅裡達大學光學和光子學學院CREOL的助理教授。
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