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電流是由電子運動形成的,為什麼發電機的電子一直用不完?

作者:魅力科學君

在人類文明的發展曆程中,電的發現和應用是一個重要的裡程碑,時至今日,電已經深深融入了我們日常生活的方方面面,成為了不可或缺的一部分。

電流是由電子運動形成的,為什麼發電機的電子一直用不完?

據我們所知,電流是由電子運動形成的,是以我們似乎可以認為,在一台發電機向電器裝置供電的時候,應該是在源源不斷地向電器裝置發送電子,然而我們從未見過發電機把電子用完的情況,這就有點令人疑惑,為什麼發電機的電子一直用不完呢?

要搞清楚這個問題,我們不妨來看一張非常簡單的電路圖(如下圖所示)。

電流是由電子運動形成的,為什麼發電機的電子一直用不完?

實體老師告訴我們,導體中的自由電子隻有在有規則地定向運動時,才會形成電流,那如何讓這個電路中的電子做有規則地定向運動呢?答案當然是,将這個電路中的開關閉合起來。實際上,這其實就是電流形成的一個必要條件——閉合的通路。

我們将這張電路圖中的電源視為發電機,就可以得出,在發電機正常供電的過程中,電路中的電子其實并不會被消耗掉,而是處于一種“循環使用”的狀态。

我們可以将其簡單地了解為,電子源源不斷地從發電機的負極“出發”,而與此同時,電路中的電子又在不停地“回到”發電機的正極。

你可能會問了,電流的方向不是從正級到負級嗎?為什麼要說電子會從發電機的負極“出發”呢?

電流是由電子運動形成的,為什麼發電機的電子一直用不完?

這其實是因為在人們最初提出電流這個概念的時候,并不知道電子的存在,而隻是根據當時實驗觀察的現象定義了電流方向,盡管後來人們發現電子的運動方向與之前定義的電流方向是相反的,但由于這個概念用得太久了,就一直沒有改過來。

需要指出的是,在發電機給電器裝置正常供電的過程中,其實并不是從發電機負極“出發”的電子在獨自做定向運動,實際上,在此過程中,發電機在電路中的作用,其實是為整個電路提供了電動勢,進而對其中所有能參與導電的電子施加了電場力,并驅使它們幾乎同時開始做定向運動。

電流是由電子運動形成的,為什麼發電機的電子一直用不完?

(如上圖所示,電路中其實充滿了自由電子,在我們把開關閉合的一瞬間,電路中所有的自由電子會幾乎同時開始做定向運動)

為什麼要說“幾乎同時”呢?因為電場的建立和傳播速度是有限的,不過這個“有限的速度”非常快,大約為每秒30萬公裡。

是不是覺得有點眼熟?是的,這個速度其實就是光速,也正因為如此,我們通常都會說:電的傳播速度是光速。

電流是由電子運動形成的,為什麼發電機的電子一直用不完?

但需要注意的是,電的傳播速度并不是電子定向運動的速度,實際上,在形成電流的時候,電路中的自由電子在電場力作用下的定向運動速度其實是非常慢的,具體有多慢呢?

這樣說吧,在理想情況下,當強度為1安培的電流通過一根直徑為1毫米的标準銅導線時,這根導線内的自由電子的定向運動速度大概隻有每秒鐘0.1毫米,可以看到,這樣的速度可以說是低得令人發指。

綜上所述可知,在發電機給電器裝置正常供電的過程中,雖然電流是由電子運動形成的,但電子本身卻并不是“消耗品”,在形成電流的時候,它們在電路中始終會處于一種“循環使用”的狀态。

我們可以将其簡單地了解為:對于發電機來講,它的負極會持續地發送出電子,與此同時,它的正極又會源源不斷地“回收”電路中的電子,在這樣的情況下,發電機的電子當然就一直用不完了。

你可能又會問了,以上所述的原理隻是基于直流電的,那交流電呢?

電流是由電子運動形成的,為什麼發電機的電子一直用不完?

其實道理都差不多,簡單來講,交流電其實就是電流方向随着時間作周期性變化的電流,而要形成這樣的電流,同樣也需要閉合的通路,不同的隻是,在這種閉合通路中自由電子的定向運動方向一會兒向前,一會兒向後,但在整體上,這些電子仍然處于一種“循環使用”的狀态,并不會被消耗掉。

那麼,如果說電子沒有被消耗,那平常我們用電的時候,消耗的到底是什麼呢?

簡單來講就是,我們消耗的其實是電子定向運動時所攜帶的能量,這些能量會通過各種效應(如電磁效應、熱效應、化學效應等等),轉化為各種形式的能量(如機械能、光能、熱能等等),進而驅動電器裝置的正常運轉。

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