知乎日報:電流的本質是什麼?

  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盪?

  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。我們來很初步地瞭解這些名詞的意義。

  下圖是元素週期表:

  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。對於元素週期表中的金屬原子,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脱離原子核的控制,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,主要有温度、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着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

  當加載電場的瞬間,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。

  也就是説,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盪?

  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釐米而已。具體的討論見電流有速度嗎?如果有下面這個問題怎麼解釋?。

  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,高温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併發出可見光,使得顯示屏上出現我們需要的畫面。

  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。

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