FHSST 物理學/電學/電荷流動
雖然導體中“自由”電子的正常運動是隨機的,沒有特定的方向或速度,但電子可以透過協調的方式在導電材料中運動。這種電子的運動就是我們所說的電或電流。這與靜電形成對比,靜電是指電荷的靜止積累。就像水流過管道的空隙一樣,電子能夠在導體的原子之間移動。導體在我們眼中看起來可能是固體,但任何由原子組成的物質都大部分是空的空間!液體流動的類比非常貼切,以至於電子透過導體的運動通常被稱為“流動”。
當每個電子在導體中均勻移動時,它會推在其前面的電子,使所有電子作為一個整體一起移動。電子流透過導體長度的開始和停止從導體的一端到另一端幾乎是瞬時的,即使每個電子的運動可能非常緩慢。作為類比,考慮一個裝滿彈珠的管子
管子裡裝滿了彈珠,就像導體中充滿了自由電子一樣。如果突然將一顆彈珠從左側插入這個裝滿彈珠的管子,另一顆彈珠會立即試圖從右側退出管子。即使每個彈珠只移動了很短的距離,運動透過管子的傳遞從左端到右端幾乎是瞬時的,無論管子有多長。對於電力來說,從導體的一端到另一端的總體效果實際上是瞬時的。然而,每個單獨的電子都以慢得多的速度透過導體移動。
如果我們想要電子沿著某個方向流向某個地方,我們必須為它們提供合適的移動路徑,就像管道工必須安裝管道才能使水流到他或她想要流動的任何地方一樣。電線由銅或鋁等高導電金屬製成,用於形成這條路徑。
這意味著只有在存在導電材料(電線)的連續路徑為電子提供路徑時,才可能有電流。在彈珠類比中,只有當管子的右側敞開以便彈珠流出時,彈珠才能流入管子的左側(因此,流過管子)。如果管子的右側被堵住,彈珠只會“堆積”在管子裡面,而彈珠“流動”不會發生。電流也是如此:電子的連續流動需要有一條完整的路徑。讓我們來看一個圖來闡述它是如何工作的
一條細的實線(如上圖所示)是連續電線的常規符號。由於電線是由導電材料(如銅)製成的,其組成原子有許多自由電子,可以很容易地透過電線移動。然而,除非電子有一個來源和一個去處,否則在電線內部永遠不會出現連續或均勻的電子流動。讓我們新增一個假設的電子“源”和“目的地”:
現在,由於電子源將新電子推入左側的電線,電子流可以透過電線發生(如指向從左到右的箭頭所示)。然而,如果電線形成的導電路徑斷開,流動將被中斷
空氣是一種絕緣體,一個氣隙將兩段電線隔開,路徑現在已經斷開,電子無法從源流向目的地。這就像將一根水管切成兩段,並在管子的斷口處加蓋:如果管道沒有出口,水就無法流動。
如果我們再取一段通往目的地的電線,並簡單地與通往源的電線進行物理接觸,我們將再次為電子流動提供一條連續的路徑。圖中的兩個點表示電線之間的物理(金屬對金屬)接觸
現在,我們有了從源到新建的連線、向下、向右和向上到目的地的連續性。請注意,右側的斷開電線段沒有電子流過,因為它不再是從源到目的地的完整路徑的一部分。
值得注意的是,與被長時間流水腐蝕和磨損的水管不同,電線內部不會因電流而發生“磨損”。電子在移動時會遇到一定程度的摩擦,這種摩擦會使導體發熱。這是我們將在後面討論的主題。