有一个非常深刻的疑问,把电路比作水路是非常巧妙的,设想在一条封闭的水道系统中,水流在水泵的推动下连续不断地循环。我们可以确信,在这个过程中,水分子的总量是恒定的。同样,这些水分子并非源自水泵本身,它们始终都在水道里。
将这个情境带入到电路问题上,发电机相当于那个水泵,它并不制造电子,相反,自由电子本来就存在于导线中,发电机仅仅是为电荷提供了一个推动力。关键点在于:发电机只产生电动势,电子的数量保持不变,它们在闭合电路中运动,因此数量保持不变。
电子流动的路径是这样的:在直流电系统里,电子从负极出发,最终回到正极。而在电源内部,电子则从正极重新移动到负极,因此电子是无穷无尽的。
在前面描述的交流电系统中,零线接地,电位被固定在0电位。另一端的电压以50Hz的工业频率上下波动。电子在电路中的移动方向也随之变化,电子不会因为流动而耗尽。并且,零线的电位与电流的大小无关。
发电机发电的内在原理是这样的:
迄今为止,不管是火力、核能、水力还是风力发电,它们共同的运作基础都是法拉第电磁感应定律。
发电机的基本结构很简单,只需要磁场和导体。当导体在磁场中移动,切割磁感线时,就会产生感应电动势。电磁感应定律的根本是带电粒子在洛伦兹力的作用下的运动,导体中的电子带有正电或负电,当导体在磁场中移动时,带电粒子会受到洛伦兹力作用而定向移动,由于电子和原子核所带电荷的极性相反,它们受到的洛伦兹力方向相反,这样就在导体中形成了感应电动势。
电子移动的速度有多快呢?
电流的传输速度与光速相当,通常认为电流的传递是瞬时的。但实际上,导体中电子的移动速度非常缓慢,大约只有每秒几厘米,远低于光速。
电流是如何实现这种速度的呢?
这是因为电场的传递速度是光速。在通电的瞬间,在电动势的作用下,整个导体会立即形成电场,导体中的所有电子会同时受到电场的“指令”,开始有规律的移动。因此,电子移动的速度并不快,真正快速的是电场。
我们可以这样打比方:想象一条长达5000米的水管,当你打开水龙头,水会立即流出,并不是因为水厂的水瞬间移动了5000米,而是因为你打开了水龙头的瞬间,水管中所有水在水压的作用下开始移动,水压的传递速度就相当于电流的速度。
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