有關電的幾點思索

公麗麗+俊杰

摘要：本文主要對有關電的三點問題進行了分析解釋，一、為什么要使用電能作為能源轉換的中介而不是其他形式的能源？二、大家都知道在開關閉合的一瞬間所有的用電器就立即開始工作，而電流的大小和自由電子的移動速度卻遠遠小于傳播速度？

關鍵詞：自由電子；電流；速度

中圖分類號：G632 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2014）11-007-01

從小學自然課中一些有關電的常識開始，到初中物理電路的初步學習和高中大學有關電學知識的逐步深入，雖然學過了這么多關于電的理論知識，但是當談論起一些關于“電”的一些最基本的認識時卻會各執己見，為什么對于有些基本的問題大家仍有迷惑不解之處？

其實我們從小學到大學畢業學過的有關電的理論知識確實不少，但是當談及這個比較抽象看不見也摸不著有關電的最基礎問題時，大家往往會陷入深深地思考之中：對啊，為什么要發明并使用電呢使用其他的能源不行嗎？電到底是什么？是怎么流動的？電的傳播速度那么快為什么電荷的移動速度卻不是光速？

首先，電的發明確實是人類科學史上一次偉大的創舉，發電廠發電就是把分散在各處不好利用的一次能源如風能，熱能，水力，核能，潮汐能，太陽能轉換為能成本低廉的進行遠距離輸送并且更為有效，清潔，用途更廣的電能。然后經過高壓輸電，輸送到目的地后再根據具體的用途將電能轉化為各種形式的能量：如轉換為熱能冬日里來取暖，轉換為機械能來運輸物品，轉換為風能夏日里來納涼等等。簡言之電能在中間起到了一個中介的作用。

其次，關于電壓及電流的流動。大家都知道電的傳播速度是很快的，在一個電路中只要在開關閉合的一霎那，所有的電器設備就會即刻開始工作，即電以光的傳播速度c= 3.0×10^8m/s來傳播的。但是自由電子的運動速度卻是很慢的。（根據電流的大小為I=nqsv。在人教版選修3-1的課本例題中算出電子的運動速度v=7.5 ×10^-5m/S，如果自由電子同多一條長1m的導線需要3個多小時）。電是以光的速度傳播的，而為什么電子的傳播速度又是如此的緩慢呢？那兩者具體怎么解釋呢？大家都知道只要是導體就有可以自由移動的電子，只是這些自由電子的運動是不規則，不定向的。在這里因為電比較抽象我就用一個形象的例子來說明一下。

早上學校操場上站滿了等待跑操的學生（類比如導體）。在體育老師沒有下達命名開始跑操之前學生們都是可以在自己的班級附近自由活動，找同學聊聊天，嬉笑打鬧一下（類比如導體中自由電子）。但是只要早操時間一到老師一聲令下（電路中的開關）大家立即全都列隊整齊的同步圍繞操場運動起來（通路中自由電子定向移動）。這里操場必須是閉合的，學生才可以一圈一圈的跑步運動（只有閉合的通路才有電流）。學生能在操場上跑步運動時學生們體內必須有能量和有運動的動力（通路中電子能定向移動必須有電源提供電壓和能量）。通過這個例子大家也就能很好的理解為什么電的傳播速度是很快的但電子的運動速度卻不快。就如老師一聲命下以聲音的速度傳到學生的耳朵里大家即刻開始全部向前運動起來，整個操場頓時流動有了流動性，但是同學們跑步前進的速度卻是遠遠小于命令傳播的速度的(電在命令的一刻瞬間產生，而電子卻在緩慢的移動)。

再次，關于電路中的電壓。這一點可以用水壓來做類比：雖然水流和電流有許多不同之處，但是這里用水壓來比電壓還是能幫大家形象的理解電壓的。大家都知道只有有水壓差水才會在渠道里流動否則會是死水一潭，同理只有有電壓的情況下才會有電流經過。如在以下的電路中：

如果R1=R2，R3=R4的情況下，在開關閉合后，因為R1 R3與R2 R4中間的這根導線兩端沒有電壓差，所以此時導線中是沒有電流流過的相當于斷路。

隨著對一些簡單問題謎團的打開，漸漸地發現雖然這些年學過的理論知識很多，拿來一些題目也會做，但是以前僅僅是為了學習為了考試而學習的。有時拿出你所學過的一些問題思考一下，在通過查閱有關的資料文獻和網絡搜索，對于一些問題會有一種恍然大悟茅塞頓開的感覺。

參考文獻：

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[2] 普通高中課程標準實驗教科書 物理選修3-1人民教育出版社

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