在人类文明的发展历程中,电的发现和应用是一个重要的里程碑,时至今日,电已经深深融入了我们日常生活的方方面面,成为了不可或缺的一部分。

打开网易新闻 查看精彩图片

据我们所知,电流是由电子运动形成的,所以我们似乎可以认为,在一台发电机向电器设备供电的时候,应该是在源源不断地向电器设备发送电子,然而我们从未见过发电机把电子用完的情况,这就有点令人疑惑,为什么发电机的电子一直用不完呢?

要搞清楚这个问题,我们不妨来看一张非常简单的电路图(如下图所示)。

打开网易新闻 查看精彩图片

物理老师告诉我们,导体中的自由电子只有在有规则地定向运动时,才会形成电流,那如何让这个电路中的电子做有规则地定向运动呢?答案当然是,将这个电路中的开关闭合起来。实际上,这其实就是电流形成的一个必要条件——闭合的通路。

我们将这张电路图中的电源视为发电机,就可以得出,在发电机正常供电的过程中,电路中的电子其实并不会被消耗掉,而是处于一种“循环使用”的状态。

我们可以将其简单地理解为,电子源源不断地从发电机的负极“出发”,而与此同时,电路中的电子又在不停地“回到”发电机的正极。

你可能会问了,电流的方向不是从正级到负级吗?为什么要说电子会从发电机的负极“出发”呢?

打开网易新闻 查看精彩图片

这其实是因为在人们最初提出电流这个概念的时候,并不知道电子的存在,而只是根据当时实验观察的现象定义了电流方向,尽管后来人们发现电子的运动方向与之前定义的电流方向是相反的,但由于这个概念用得太久了,就一直没有改过来。

需要指出的是,在发电机给电器设备正常供电的过程中,其实并不是从发电机负极“出发”的电子在独自做定向运动,实际上,在此过程中,发电机在电路中的作用,其实是为整个电路提供了电动势,进而对其中所有能参与导电的电子施加了电场力,并驱使它们几乎同时开始做定向运动。

打开网易新闻 查看精彩图片

(如上图所示,电路中其实充满了自由电子,在我们把开关闭合的一瞬间,电路中所有的自由电子会几乎同时开始做定向运动)

为什么要说“几乎同时”呢?因为电场的建立和传播速度是有限的,不过这个“有限的速度”非常快,大约为每秒30万公里。

是不是觉得有点眼熟?是的,这个速度其实就是光速,也正因为如此,我们通常都会说:电的传播速度是光速。

打开网易新闻 查看精彩图片

但需要注意的是,电的传播速度并不是电子定向运动的速度,实际上,在形成电流的时候,电路中的自由电子在电场力作用下的定向运动速度其实是非常慢的,具体有多慢呢?

这样说吧,在理想情况下,当强度为1安培的电流通过一根直径为1毫米的标准铜导线时,这根导线内的自由电子的定向运动速度大概只有每秒钟0.1毫米,可以看到,这样的速度可以说是低得令人发指。

综上所述可知,在发电机给电器设备正常供电的过程中,虽然电流是由电子运动形成的,但电子本身却并不是“消耗品”,在形成电流的时候,它们在电路中始终会处于一种“循环使用”的状态。

我们可以将其简单地理解为:对于发电机来讲,它的负极会持续地发送出电子,与此同时,它的正极又会源源不断地“回收”电路中的电子,在这样的情况下,发电机的电子当然就一直用不完了。

你可能又会问了,以上所述的原理只是基于直流电的,那交流电呢?

打开网易新闻 查看精彩图片

其实道理都差不多,简单来讲,交流电其实就是电流方向随着时间作周期性变化的电流,而要形成这样的电流,同样也需要闭合的通路,不同的只是,在这种闭合通路中自由电子的定向运动方向一会儿向前,一会儿向后,但在整体上,这些电子仍然处于一种“循环使用”的状态,并不会被消耗掉。

那么,如果说电子没有被消耗,那平常我们用电的时候,消耗的到底是什么呢?

简单来讲就是,我们消耗的其实是电子定向运动时所携带的能量,这些能量会通过各种效应(如电磁效应、热效应、化学效应等等),转化为各种形式的能量(如机械能、光能、热能等等),进而驱动电器设备的正常运转。