电流的本质是什么? | 目的地Destination

电流的本质是什么?

我们先来看题主的问题:

1)电流的本质是什么?

2)电子的定向移动是绕电路一圈还是在附近震荡?

3)电子是实体吗,那为什么交流电能通过电容,如果不是实体,那电视显像管发射的又是什么?

4)大地为什么可以当做导线?

这些问题既有物理的(1),也有电学的(2、3),还有电气工程的(4)。显然,题主并非并非学生,是职场中人。

既然如此,我就非常该要地解释这些问题,仔细推敲和解释就留给其他知友们吧。

第一个问题:电流的本质是什么?

回答:

电流的本质是导体材料中的自由电子在电源产生的电场的作用下作定向运动。

这个解释中有几个名词,分别是:导体、自由电子、电源电场、电场作用、定向运动。我们来很初步地了解这些名词的意义。

下图是元素周期表:

在这张条中,我们看到元素外围电子S轨道,有的有1个电子,有的有两个电子。对于元素周期表中的金属原子,原子核对外围电子的控制能力不是很强,因此外层轨道中的电子有可能脱离原子核的控制,成为自由电子。

根据量子物理学,我们把电子的能级分为禁带和传导带。禁带中的电子都被原子核束缚在轨道上,而传导带中的电子则成为自由电子。

产生自由电子的原因很多,主要有温度、辐射等等。电子接受了一点能量后从禁带进入传导带叫做激发,处于激发态的电子还会放出能量返回禁带。由于金属导体中的原子数量是天文数字,当然自由电子的数量也是天文数字。

于是,自由电子就如同海洋中的海豚一般,在金属原子禁带和传导带中进进出出。由于电子的数量众多,于是整块金属或者金属导体就如同浸泡了自由电子的海绵一般。

现在,我们对这块金属海绵导体中的自由电子施加电场力,于是自由电子就在导体中产生定向运动,运动方向是从电池的负极指向正极。

由于历史的原因,人们认为电流方向是电池的正极指向电池的负极。好在这种规定与实际情况也不冲突,相差只是一个正负号而已。因此我们把实际运动着的自由电子叫做电子流,而把传统意义上导体中的电子叫做电流。

需要注意的是:

1)电流是被电场力推动才能做定向运动的

当加载电场的瞬间,电场以光速在整个导体回路中传播,并即时使得整条回路中所有参与导电的自由电子同时做定向运动;若电场撤离,则自由电子也即时停止定向运动。

2)由于电场是对导体回路中所有自由电子同时产生作用,因此在导体的任意截面,在任意时刻流进和流出的自由电子数量之和等于零。

也就是说,导体中的自由电子不会产生堆积。

这种现象是基尔霍夫电流定律KCL的成立的原因,也即“串联电路中电流处处相等“的原因。

3)即使在电场存在的任意时刻,自由电子进出传导带/禁带的数量与未加电场时一模一样,没有任何区别。

要证明这一点很容易:当自由电子返回禁带时它会把能量释放出来。电子所带的能量有高有低,所以当电子返回禁带时,它们所释放的能量会以某种确定频率的辐射光的形式(热辐射)释放出来,并且能产生某种金属表面的特殊颜色。我们发现,金属导体带电前后,它的表面颜色并未发生改变,这就证明了我们的结论。
4)参与导电的不但有自由电子,还有可能是正离子,或者带了电子的负离子等等。
这在电弧、电解池、电镀池中都能看到,在原电池中也能看到。
第二个问题:电子的定向移动是绕电路一圈还是在附近震荡?
回答:
现在,我们离开物理学,从电学来解答。
我们都知道电路,电路中有电源、导体材料,还有负载。当三者连在一起时,电路中就有电流流过。
显见,电流当然是在电路中绕行了。
我们看下图:

图1中我们看到了电流,它是绕行的。图2种开关K已经打开,但开关K的触头间出现了电弧,此时的电流是电弧电流。即使在这种情况下,电流仍然是绕行的。
不过,电源建立电场的速度是光速,而电流自身的速度却是龟速,每秒钟仅仅只有几个厘米而已。具体的讨论见zhihu.com/question/5326
第三个问题:电子是实体吗,那为什么交流电能通过电容,如果不是实体,那电视显像管发射的又是什么?
回答:
从电路原理的观点来看,电容中的电流是因为两个原因产生的:其一是电容两个极板上建立电场所致,其二是电容的漏电流所致。前者的电流呈现容性,后者的电流呈现阻性,因此它们的方向是正交的。
这两个电流的合成电流与容性电流方向间夹角叫做介质损耗角,介质损耗角的正切是衡量电容(或者绝缘材料)品质的重要参数。
注意:显像管中发射的电子流与电容效应无关。此电子流是因为在高真空高电压条件下阴极逸出电子向阳极加速运动造成的。类似地,开关电器触头间的电弧也与此有关。
至于为何阴极有电子逸出?这很容易理解:阴极是灯丝,高温使得电子获得能量成为自由电子,而强电场又驱动电子流向阳极极板运动,同时偏转线圈会使得电子流束产生偏移,继而电子击打在阳极屏幕上并发出可见光,使得显示屏上出现我们需要的画面。
可见,此电子流的运动与电容毫无关系。

第四个问题:大地为什么可以当做导线?
回答:
是的,大地确实可以做导线,但它的导电能力比导体相对较差。
如果大地中有钢筋来作为地网材料,则它的导电能力会比纯粹的大地要好得多。
在GB50054《低压配电设计规范》国家标准中,有大地电阻的值,一般规定接地极电阻不得大于4欧,但实测为0.8欧左右。
由于大地的电位为零,因此常常用接地来避免出现人身伤害事故。

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:Patrick Zhang

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