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FHSST 物理/电学/电荷流动

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电学
电荷流动 - 电路 - 电压和电流 - 电阻 - 实际电路中的电压和电流 - 电压、电流和电阻的关系

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电荷流动

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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,但电子可以受到影响,以协调的方式通过导电材料移动。这种电子的运动就是我们所说的电流。这与电形成对比,静电是静止的电荷积累。就像水流过管道中的空隙一样,电子能够在导体的原子之间移动。导体在我们眼中可能看起来是固体,但任何由原子组成的物质大多是空的空间!这种液体流动的类比非常恰当,以至于电子通过导体的运动通常被称为“流动”。

当每个电子均匀地通过导体时,它会推动它前面的电子,使得所有电子作为一个整体一起移动。电子流通过导体的长度的启动和停止几乎是瞬时的,从导体的一端到另一端,即使每个电子的运动可能非常慢。作为类比,考虑一个装满弹珠的管子

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管子装满了弹珠,就像导体装满了自由电子一样。如果突然在左侧将一颗弹珠插入这个装满弹珠的管子,另一颗弹珠会立即尝试从管子的右侧出来。即使每个弹珠只移动了一小段距离,但运动通过管子的传递几乎是瞬时的,从左侧到右侧,无论管子有多长。对于电流,从导体的一端到另一端的整体效果几乎是瞬时的。然而,每个电子通过导体的速度要慢得多

如果我们希望电子朝某个方向流向某个位置,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让水流向他或她想要流的地方一样。导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连续的导电材料(导线)路径提供电子流动路径的情况下,才能存在电流。在弹珠类比中,只有当管子右侧打开以便弹珠流出时,弹珠才能流入管子的左侧(以及因此通过管子)。如果管子右侧被堵住,弹珠只会“堆积”在管子里面,弹珠“流动”将不会发生。对于电流也是如此:电子的连续流动要求存在一条不间断的路径。让我们来看一个图表,说明它是如何工作的

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一条细的实线(如上所示)是连续导线的传统符号。由于导线由导电材料制成,如铜,其组成原子具有许多自由电子,这些电子可以很容易地通过导线移动。然而,除非电子有一个来源和一个去处,否则这条导线中永远不会有连续或均匀的电子流动。让我们添加一个假设的电子“来源”和“目的地:”

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现在,由于电子源将新的电子推入左侧的导线,电子流就可以通过导线发生(如箭头从左到右所示)。但是,如果导线形成的导电路径断开,流动将被中断

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空气是绝缘体,气隙将两段导线分开,路径现在被断开,电子无法从源流向目的地。这就像把水管切成两段,并盖住水管的断口:如果水管没有出口,水就无法流动。

如果我们取另一段连接到目的地的导线,并简单地与连接到来源的导线进行物理接触,我们就会再次拥有一条完整的路径让电子流动。图中的两个点表示两段导线的物理(金属对金属)接触

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现在,我们有从源头到新连接的连续性,向下,向右,向上到目的地。请注意,右侧的断开部分导线没有电子流过,因为它不再是源头到目的地的完整路径的一部分。

有趣的是,导线内部不会因电流而发生“磨损”,不像水管,它们最终会因长时间的流动而腐蚀和磨损。电子在移动时确实会遇到一定程度的摩擦,这种摩擦会在导体中产生热量。这将是我们稍后要讨论的主题。

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