FHSST 物理学/电学/电荷流动
虽然导体中“自由”电子的正常运动是随机的,没有特定的方向或速度,但电子可以通过协调的方式在导电材料中运动。这种电子的运动就是我们所说的电或电流。这与静电形成对比,静电是指电荷的静止积累。就像水流过管道的空隙一样,电子能够在导体的原子之间移动。导体在我们眼中看起来可能是固体,但任何由原子组成的物质都大部分是空的空间!液体流动的类比非常贴切,以至于电子通过导体的运动通常被称为“流动”。
当每个电子在导体中均匀移动时,它会推在其前面的电子,使所有电子作为一个整体一起移动。电子流通过导体长度的开始和停止从导体的一端到另一端几乎是瞬时的,即使每个电子的运动可能非常缓慢。作为类比,考虑一个装满弹珠的管子
管子里装满了弹珠,就像导体中充满了自由电子一样。如果突然将一颗弹珠从左侧插入这个装满弹珠的管子,另一颗弹珠会立即试图从右侧退出管子。即使每个弹珠只移动了很短的距离,运动通过管子的传递从左端到右端几乎是瞬时的,无论管子有多长。对于电力来说,从导体的一端到另一端的总体效果实际上是瞬时的。然而,每个单独的电子都以慢得多的速度通过导体移动。
如果我们想要电子沿着某个方向流向某个地方,我们必须为它们提供合适的移动路径,就像管道工必须安装管道才能使水流到他或她想要流动的任何地方一样。电线由铜或铝等高导电金属制成,用于形成这条路径。
这意味着只有在存在导电材料(电线)的连续路径为电子提供路径时,才可能有电流。在弹珠类比中,只有当管子的右侧敞开以便弹珠流出时,弹珠才能流入管子的左侧(因此,流过管子)。如果管子的右侧被堵住,弹珠只会“堆积”在管子里面,而弹珠“流动”不会发生。电流也是如此:电子的连续流动需要有一条完整的路径。让我们来看一个图来阐述它是如何工作的
一条细的实线(如上图所示)是连续电线的常规符号。由于电线是由导电材料(如铜)制成的,其组成原子有许多自由电子,可以很容易地通过电线移动。然而,除非电子有一个来源和一个去处,否则在电线内部永远不会出现连续或均匀的电子流动。让我们添加一个假设的电子“源”和“目的地”:
现在,由于电子源将新电子推入左侧的电线,电子流可以通过电线发生(如指向从左到右的箭头所示)。然而,如果电线形成的导电路径断开,流动将被中断
空气是一种绝缘体,一个气隙将两段电线隔开,路径现在已经断开,电子无法从源流向目的地。这就像将一根水管切成两段,并在管子的断口处加盖:如果管道没有出口,水就无法流动。
如果我们再取一段通往目的地的电线,并简单地与通往源的电线进行物理接触,我们将再次为电子流动提供一条连续的路径。图中的两个点表示电线之间的物理(金属对金属)接触
现在,我们有了从源到新建的连接、向下、向右和向上到目的地的连续性。请注意,右侧的断开电线段没有电子流过,因为它不再是从源到目的地的完整路径的一部分。
值得注意的是,与被长时间流水腐蚀和磨损的水管不同,电线内部不会因电流而发生“磨损”。电子在移动时会遇到一定程度的摩擦,这种摩擦会使导体发热。这是我们将在后面讨论的主题。