FHSST 物理/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,但電子可以受到影響,以協調的方式透過導電材料移動。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,靜電是靜止的電荷積累。就像水流過管道中的空隙一樣,電子能夠在導體的原子之間移動。導體在我們眼中可能看起來是固體,但任何由原子組成的物質大多是空的空間!這種液體流動的類比非常恰當,以至於電子透過導體的運動通常被稱為“流動”。
當每個電子均勻地透過導體時,它會推動它前面的電子,使得所有電子作為一個整體一起移動。電子流透過導體的長度的啟動和停止幾乎是瞬時的,從導體的一端到另一端,即使每個電子的運動可能非常慢。作為類比,考慮一個裝滿彈珠的管子
管子裝滿了彈珠,就像導體裝滿了自由電子一樣。如果突然在左側將一顆彈珠插入這個裝滿彈珠的管子,另一顆彈珠會立即嘗試從管子的右側出來。即使每個彈珠只移動了一小段距離,但運動透過管子的傳遞幾乎是瞬時的,從左側到右側,無論管子有多長。對於電流,從導體的一端到另一端的整體效果幾乎是瞬時的。然而,每個電子透過導體的速度要慢得多。
如果我們希望電子朝某個方向流向某個位置,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讓水流向他或她想要流的地方一樣。導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連續的導電材料(導線)路徑提供電子流動路徑的情況下,才能存在電流。在彈珠類比中,只有當管子右側開啟以便彈珠流出時,彈珠才能流入管子的左側(以及因此透過管子)。如果管子右側被堵住,彈珠只會“堆積”在管子裡面,彈珠“流動”將不會發生。對於電流也是如此:電子的連續流動要求存在一條不間斷的路徑。讓我們來看一個圖表,說明它是如何工作的
一條細的實線(如上所示)是連續導線的傳統符號。由於導線由導電材料製成,如銅,其組成原子具有許多自由電子,這些電子可以很容易地透過導線移動。然而,除非電子有一個來源和一個去處,否則這條導線中永遠不會有連續或均勻的電子流動。讓我們新增一個假設的電子“來源”和“目的地:”
現在,由於電子源將新的電子推入左側的導線,電子流就可以透過導線發生(如箭頭從左到右所示)。但是,如果導線形成的導電路徑斷開,流動將被中斷
空氣是絕緣體,氣隙將兩段導線分開,路徑現在被斷開,電子無法從源流向目的地。這就像把水管切成兩段,並蓋住水管的斷口:如果水管沒有出口,水就無法流動。
如果我們取另一段連線到目的地的導線,並簡單地與連線到來源的導線進行物理接觸,我們就會再次擁有一條完整的路徑讓電子流動。圖中的兩個點表示兩段導線的物理(金屬對金屬)接觸
現在,我們有從源頭到新連線的連續性,向下,向右,向上到目的地。請注意,右側的斷開部分導線沒有電子流過,因為它不再是源頭到目的地的完整路徑的一部分。
有趣的是,導線內部不會因電流而發生“磨損”,不像水管,它們最終會因長時間的流動而腐蝕和磨損。電子在移動時確實會遇到一定程度的摩擦,這種摩擦會在導體中產生熱量。這將是我們稍後要討論的主題。