电场在导体中的传播过程.docx

什么力量使导体中的电子定向运动？ 摘要 电能通过导体传输看似一个非常简单的过程，电能的传输是通过电子的定向移动实现的，但是，是什么力量产生的电子定向移动？针对这个问题，本文进行详细地论述。 关键词：电子，电场，电磁波，水击波，电击波，密度波 引言 在我们的教科书中明确指出：电压是电流产生的必要条件，由于电压能产生电场，因此，电子是在电场的作用下产生的定向流动。但是，电场是如何建立的呢？很多人认为：电场是在导体的外面建立的，是以电磁波的形式传播的，其传播速度是光速。事实真的是这样的吗？超导的两端没有电压，它的电流又是如何产生的呢？ 水在水管中的流动过程 为了说明电能的传输过程，我们先了解水在水管中是如何流动的。 图1.水压在水管中的传递过程 如图1所示，T1和T2表示水闸，水管中充满了水。假设水的密度ρ= 1000 kg/m3，体积弹性模量K= 1.96×109 Pa，水塔高度h= 10米，水管内径r= 0.1米，当T1、T2都关闭时，水平管中的压强为0，水管的体积弹性模量和水管的阻力忽略。 如果打开T1，水平管中的水压将从左到右，以速度= 1400 m/s的速度传播。如果L=100米，取重力加速度g= 10 m/s2，水平管中的水的压强（）从0全部变为100000 Pa的时间为0.0714 s。这时，水平管中的水的密度变为1000(1+100000/1.96x109) = 1000.05 kg/m3，水塔向水平管中补充的水量为0.157 kg，也就是说，水管中的水分子向右的最大位移量为0.005 m，平均移动量为2.5 mm，平均移动速度为0.035 m/s。 如果T1打开的时间为1ms，理想情况下，将有厚度为1.4 m，压强为100000 Pa的水柱，在水平管中以1400 m/s的速度从左向右移动。当水柱达到T2时，由于T2处于关闭状态，这个水柱又会以1400 m/s的速度向T1运动（在实际的水管中，由于阻力的存在，这个水柱将逐渐消失），这种压力的传播称为水击波。当水击波移动时，水分子并不移动（或移动很小），只是在平衡位置振动，当T1、T2都打开时，水分子才流动。 电在导线中的传播过程 图2.电流在导线中的传播过程 在图2中，K1、K2代表开关，E代表电源（取电池的正极为零电位），电源的作用就是把电子从正极运送到负极，并保持负极的电子密度不变。电池的电压代表着正负极之间的电子密度差：U= A（ρ负-ρ正），其中，A是常数。电源的电压越大，代表负极的电势越低，也就是电子的密度越大。 当K1、K2都断开时，导线上的正负电荷平衡，电子所受的力各向同性。如果K1闭合，由于电源负极的电子密度大，电子之间的斥力也大，电子必然从密度高的地方向密度低的地方运动。电子密度的传播与水击波（水击波既是压力的传播，也是密度的传播）的传播原理相同。与水击波一样，电子密度的传播过程中，电子本身移动的距离也很小。可以看出：电子密度的传播过程也是电压的传播过程。 如果K1闭合的时间为1ns，理想情况下，将有厚度为0.3 m，密度与电源负极相同的电子柱，在导线中以约3x108 m/s的速度从A向B移动。当电子柱达到K2时，由于K2处于断开状态，这个电子柱又会以同样的速度从B向A运动（在实际的导线中，由于阻力的存在，这个电子柱也将逐渐消失），这种电子密度的传播本文称为电击波。 可以看出：水分子在水管内与电子在导体内类似，都是自由的，二者完全具有可比性，水击波的传播与电击波具有相同的性质。 讨论 电击波的速度 电能在导体中的传递速度实际上就是电击波的传播速度，电击波是本文首先提出的，学界还没有人研究它，它的速度与两个参数有关，一个是电子的体积模量，另一个是电子的密度。既然电击波是一种波，它的速度就可以表示为，但我们并不知道K和ρ的值，只能估计导体中电击波的速度与光速为同一数量级，而且不同导体的电击波速度并不一样。 电能的传送与电场无关 主流认为：自由电子定向移动的原因是导体中存在电场。在电路被接通的时候，电场会以接近光的速度将场源变化的信息传送出去，使电路中的每一个导线快速地建立起电场，这个电场可以使自由电子做定向运动，电流的形成就是电场拉动电子而产生的。但是，电场是如何沿着导线建立的？在理想的导体（例如电阻为0的超导）中，电势差并不存在，导体中的电场在哪里？ 如图2所示，当K1闭合、K2断开时，电场如何从A点传递到B点？ 电场是什么？电场是法拉弟引入的，用来描述超距作用的一个物理概念。它是由带电粒子产生的，具有力的作用的空间。电场并不是什么物质，而是带电粒子的属性场，是带电粒子与生俱有的，没有带电粒子就没有电场，电场强度的大小与净电荷的密度有关。当导体中的正负电荷平衡时，电场强度为0，只有当导体中的存在净电荷时，电场才能表现出来。 在图2中，电池的负极存在负电