电路中的恒流?

电器工程 电磁学 物理
2022-01-24 09:23:46

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

电池通过产生电场并将电势能转换为动能来泵送电子。在正极附近,电子有更多的动能,所以电流不应该更高吗?

一个类比可能会澄清我的问题:如果你从建筑物上掉下一个球,球在到达地面时会加速,因为更多的势能已经转化为动能。同样,电子在接近正极时不应该移动得更快,因为它们有更多的动能吗?因此电流不应该更高吗?

4个回答

在电路中,速度几乎就是电流(库仑/秒)。动能与速度平方(1/2*m*v^2)成正比,这意味着如果你有一个恒定的电流,你平均有一个恒定的动能。

因此,由于整条导线都充满了电子(几乎没有间隙);所有电子必须具有相同的速度(相同的电流),因此动能在任何地方都相等。

类比,其中水分子 = 电子。您可以看到泵启动时的分子没有更大的速度(电流)。 在此处输入图像描述

另一个较弱的类比是火车。将发动机(电池)想象成将力(电压/电动势)施加到其他手推车(电子)的机制。火车上的所有小车将具有相同的速度。

这里有一些很好的、理论上合理的答案。让我尝试从不同的角度解释:

我倾向于不考虑电子流过电线,因为这意味着它们的质量和动量是导致功率传输的原因。你经常听到你应该想象一管乒乓球。但这也可能具有误导性!相反,想象一个 8 英尺直径的管道,里面装满了沙子。你在一端强制一些沙子,一些会从另一端出来,但速度、质量和动量对它的影响不大。

能量转移的发生是因为激发电子的波前(通过电场)推动了它们周围的所有其他电子。不是因为电子质量赋予牛顿动量。1 毫米厚的铜导体中的实际电子漂移约为每秒 1 毫米!

事实上,这是水的类比分解的重要地方之一。没有基于质量的电动量!(这是一个强有力的声明,并不完全正确,但它会很好地为你服务)

如果您想在电路中“添加”动量,您将使用电感器。这使得水的类比再次有用:)

这个类比有一个很好的例子。查看这个关于 Ram 泵的 Youtube:http ://www.youtube.com/watch?v=qWqDurunnK8 。这是许多人从未见过的整洁、古老的技术。原来它和升压转换器完全一样!如果您还没有看到升压转换器,那么您很快就会看到。它们在电路中随处可见。

Ram Pump 基于动量工作。为了使其在电子产品中工作,您使用电感器来传递动量模拟!这很棒!单向阀使用二极管,压力室使用电容器。

你正在开始一次有趣的冒险,这整个工程/物理的事情:)

祝你好运。

为什么到处都是电流常数?

嗯,它不是,真的。这是您的类比中缺少的内容:如果从建筑物顶部到底部的重力势差类似于电池的电势(电压)差,并且球代表电荷(例如,电子) ,您缺少的是电线中的所有其他电荷。

所有的导体都充满了可移动的电荷,就像装满水的管道一样。如果你把一些电荷放在一端,你会在一端产生更高的“压力”。然后,一股力波通过流体传播,最终结果是各处的压力均等。在水中,这些波以声速移动。在电线中,它们以光速移动。1

因为这些波最终会在整个电路中传播,如果你的电池电压没有变化,最终它会达到平衡,电流在任何地方都是一样的。当电路的尺寸很小时,光是如此之快,以至于这些波“立即”传播是一个合理的简化假设,因此电流在回路中的任何地方都是相同的。

如果情况并非如此,并且传播更改所花费的时间变得很长,则可能会使用传输线对电路进行建模,并且您可能正在进入射频工程学科。

您可能也不应该考虑电子从负极端子移动到正极端子。你会迷惑自己,因为一切都会倒转(因为电子是电荷),而且你也会忘记宇宙中大约一半的电荷:质子和其他电荷。单个电子的运动很少相关,并且在许多电路(当然还有任何带有电池的电路)中,电子并不是唯一的电荷载体。通常我们关心的是电荷载流子传递的力,而不是电荷载流子。看:

在您的特定情况下,当首次连接电池时,电子被吸引到正极端子,并从负极端子排斥。电流开始在电池的两端流动,然后力波通过电线传播,直到电流到处流动,电路达到平衡。

您可能还会发现这一点很有启发性:在看到电阻之前,电流如何知道要流动多少?

1:特定材料中的光速不同,就像声速一样。参见速度因子和非常酷的切伦科夫辐射,类似于音爆的光模拟。

来自电子漂移的动能是最小的。我们可以在超导电路中看到它的影响,在接近日光的频率下,它表现为一种电感,但在普通电路中并不显着。

电线中的电子漂移 非常缓慢,每小时几米。这代表了一个很大的电流,因为它们有很多。

回想一下,电流是每单位时间的电荷流(量化为每个电子的电荷量),与动能无关,只有每秒有多少电子通过给定的“分频器”。