你认为电流是通过电线流动的吗？那你错了

twq19810302

“日复一日，我想知道电是什么，但没有找到答案。八十年过去了，我仍然问自己同样的问题，但我无法回答。（尼古拉·特斯拉）
! U& y& _1 S+ G# I
! ?' T  R1 x8 r

电流不是通过电线中的电子流动传输能量的。这是一个普遍的误解。在一根 1.5 mm2 横截面的铜导线中，自由电子的移动速度只有 0.05 mm/s，而且超过 10 万个原子适合这个片段。如果能量是通过电子的简单物理碰撞来传递的，那么它们需要一些时间才能沿着动量链移动。因此，电线中的电子只是在几乎同一个地方来回摆动，并不是移动到别的地方。电流的本质是电荷载体的定向（有序）运动。随后带电粒子之间的电磁相互作用不是直接进行的，而是通过电磁场进行的。因此，电流的传输速度远高于电荷载流子的运动速度，几乎达到了光速。

从这一点可以看出，电流不是电子沿导线的运动。电线只是电流的载体。在电路中，电荷载体并不需要在电线内部运动。相反，能量在电路中通过电磁波的形式传输。这种电磁波可以在真空中传播，也可以通过导体中的电子和其他带电粒子传播。这个过程可以通过麦克斯韦方程式来描述。
8 I4 j; a/ {# F+ w; l0 A4 [
19 世纪中叶，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦分析了当时已知的所有描述电学和磁学现象的公式。其中一个与其他的相矛盾。为了使这个方程式与其他公式协调，麦克斯韦提出了一个新的理论，即电和磁是统一的现象，并且可以用一组方程式来描述。这个理论成为了电磁学，描述了电和磁的交互作用，并预测了电磁波的存在。这些电磁波是由变化的电场和磁场产生的，可以在空间中传播，并在到达接收器时产生电流。
- Z/ ?9 q8 o! w9 g9 k

- \6 k% M) M" W; ^& r, ?

在电路中，变化的电场和磁场通过电源或其他电源产生。这些场会沿着导线传播，并在到达负载时产生电流。因此，电流的传输速度不是由电荷载流子的速度决定的，而是由电磁场的传播速度决定的。这个速度几乎达到了光速，比电荷载流子的运动速度快得多。
. A& V  y! y& i) J% L% P& E
为了使所有公式一致，麦克斯韦引入了一个新的物理量，称为电磁波。他预测，电磁波将以光速传播，并在电场和磁场之间交替。

这个预测被证实是正确的，因为在随后的实验中，人们发现了无线电波和其他形式的电磁波，这些波在空气、水和真空中传播，可以在接收器中转换成有用的信息。
- d1 u5 H' K9 _1 m" V; X1 W
; }0 x& n2 f3 @9 M$ p- w但是，最重要的是，电磁波不需要电线来传输电力。事实上，电线只是电力的载体，它传递电磁波中的能量。

. {3 V; g/ [2 |" f2 j6 ^这就解释了为什么在高压输电线上，虽然电子不移动，电能却可以在数百千米的距离内传输。电力公司使用变压器来将高压输电线中的能量转换为适合家庭和工业用途的低电压。

电磁波的性质

0 v5 \% f/ M- s2 g电磁波有许多不同的特性，包括频率、波长、幅度和相位。它们是通过波动周期、峰值和谷值来定义的，这些量反映了电场和磁场的变化。
4 T" y9 I8 @* l/ l  ?4 \4 A
6 Q) K; l: E7 `" N( E频率是指每秒钟波峰通过的数量，单位是赫兹（Hz）。波长是一个完整波长所需的距离。幅度是波的最大振幅，而相位是波形相对于参考点的偏移量。
" g' \0 s6 G2 z- ~% ~6 {) m) C
$ [" A  _) r. W5 ?3 ?  Y不同的频率和波长会产生不同的电磁辐射，这些辐射的能量和影响因素也不同。例如，无线电波、微波和红外线都是电磁波，但它们的频率和波长不同，因此它们具有不同的特性和用途。
; [5 {9 K( w) X. `. K
3 I! h" }; `- e) R+ `3 L) [

2 Y7 `! A! j  f

电磁波的应用

2 f* K& l9 b; ^4 v
电磁波有许多重要的应用。无线电通信、广播和电视广播都依赖于电磁波。卫星通信、雷达和导航系统也使用电磁波。

7 K$ g6 s" m) n$ B/ ~5 Q6 W  E
此外，医学领域中的许多诊断和治疗方法也利用电磁波。X射线、MRI和CT扫描都是使用电磁波的不同形式来捕捉图像和诊断疾病的方法。
% o- ]+ @, f7 d1 u, t; F
+ b, ~1 }9 j. t( H* Z5 u

$ W1 ]: M0 [; _
% S  u% b: w& {

因此，电流不是电子的流动，而是电荷的流动。电荷可以是电子、离子或其他带电粒子。电流并不是通过电线直接流动的。相反，能量是通过电磁场传递的，这种传递速度比电子在导线中的运动速度快得多。这种电的传导方式是我们使用电器的基础，也是电力工程师需要深入理解的重要概念。

: S3 n& n* A5 }1 H+ P- U虽然我们仍然对电的本质存在许多未解之谜，但是我们对电的理解已经足够深入，让我们能够开发出强大的电子设备和电力系统。对于未来的科学家和工程师来说，电学领域将继续是一个充满挑战和机会的领域。
. a6 {; p8 c, r: u& L9 B" v