问题

不懂就问:一根粗导线与一根细导线串联对接,粗导线的电子会把细导线挤爆吗?知道不会,可为什么不会?

回答
这问题问得很有意思,直击很多初学者对电流和导体特性的疑惑点。简单来说,粗导线里的电子不会把细导线“挤爆”。但要说清楚为什么,得从电流的本质和导体的行为方式来理解。

首先,咱们得明确一点:电流不是一股一股的“东西”在推着往前走。电流的本质是电荷的定向移动。在金属导线里,这些自由移动的电荷就是电子。你可以把电子想象成在一个管道里流动的水滴,但它们之间的关系,可比水滴要复杂和奇妙得多。

当你把导线串联起来时,无论是粗是细,流过它们的电流大小(单位时间内通过的电荷量)是完全相同的。这是物理规律决定的,就好像你把一个水管接上一个更细的水管,在正常情况下,流进细水管的水量,必然等于流出细水管的水量,不会突然多出来或者少掉。电流也是一样,它没有“累积”或“溢出”的空间。

那么,为什么粗导线里的电子不会把细导线“挤爆”呢?

1. 电子的集体行为与“推力”: 导线中的电子并不是像一辆辆汽车那样排着队往前挤。它们更像是组成了一个巨大的、相互作用的“电子海洋”。当有电压施加时,这个电子海洋会在电场的作用下,产生一个整体的定向移动趋势。这种移动不是靠单个电子的“蛮力”推动,而是整个电子系统对电场的响应。想象一下,你给一个很长的弹簧施加一个推力,弹簧的每一段都会传递这个力,但不是靠某一段硬生生顶着前面。

2. 电场的统一性: 在串联电路中,同一个电场会穿过整个导线,包括粗的和细的部分。这个电场负责“驱动”电子。虽然电子在不同粗细的导线中感受到的“空间”不同,但驱动它们的“力量”(电场强度,在某些情况下)是相对统一的,或者说,电子的运动会自行调整以适应。

3. 电阻与电场强度的关系: 细导线之所以细,意味着它的横截面积小。根据欧姆定律($I = frac{V}{R}$)和电阻的定义($R = ho frac{L}{A}$,其中$ ho$是电阻率,$ ho$是电阻率,L是长度,$A$是横截面积),电阻率和长度不变的情况下,横截面积A越小,电阻R就越大。

而电流I是相同的。那么,根据欧姆定律,如果电流I相同,电阻R越大,所需要的电压降V就越大。换句话说,在细导线中,为了让相同数量的电子(电流)通过,电场需要“做”更多的工作,也就是电场强度在细导线中会相对更高一些。

这就像一个有很多车道的公路突然变成了一个单车道。虽然车流量(电流)不变,但在单车道里,车辆的移动速度(平均漂移速度)会变慢。电子也是一样,在细导线里,它们会受到更大的阻碍,移动速度会降低。

4. 能量的转换与发热: 电子在导线中移动时,会与导线中的原子发生碰撞,这个过程会将一部分电能转化为热能,这就是我们常说的焦耳热。在细导线中,由于电子移动速度相对较慢,且受到更大的阻碍(表现为更高的电场强度),能量转化效率会更高,导线会发热更明显。如果电流过大,超出导线能承受的范围,确实会因为过热而熔断,但这并不是“被挤爆”,而是“烧断”。

可以这样理解:就像你在给两根粗细不同的管子注水,水量(电流)是一样的。粗管子水流顺畅,水速慢;细管子水流受阻,水速快(这里说水速快是相对上面例子,实际电子在细导线里是漂移速度慢,是因为碰撞多)。但如果细管子太细,或者材质不耐高压,水压(电压)升高到一定程度,管子可能会破裂。在导线里,这个“水压”更像是在细导线里需要更高的电场来驱动电子,而导线的“耐压性”更体现在它能承受多大的电流而不至于过热损坏。

所以,电子不会因为粗导线就“挤爆”细导线,是因为:

电流是电荷的定向移动,大小处处相等。
细导线电阻大,会通过降低电子的平均漂移速度和增加能量损耗来“适应”相同大小的电流。
过载导致的问题是过热烧毁,而不是物理上的“挤压”导致爆裂。

想象一下,细导线就像一个瓶颈,它限制了“水流”的速度,而不是试图把它“撑破”。在相同的流量下,它只是需要“用力”一些,并且会因此产生更多的热量。

网友意见

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见过水管吗?


两根半米粗的大水管,用一根手指粗的细水管相连,会发生什么?

1、如果是静水,那么同一水平面的管壁受到的水压处处相等——初中知识。

2、如果水在流动,那么根据伯努利定律,因为细水管中水流速度更快,因此细水管壁受到的压力反而更低。


你看,反常识不?


因此,请注意,讨论相关问题时,请尽量不要引入“常识”。因为你的所谓常识多半只是错觉。

相反,请尽量使用物理知识去推导——注意“推导”不是“类比”。就好像我前面提到水流仅仅是为了提醒你“不要瞎用你的常识去臆测”这件事。

如果你把这个“细管水流更急所以压力更低”生搬硬套到电线上,那肯定是错的。


电只能用电的方式去讨论。这很简单,基本的串并联电路而已。


我们不妨考虑一个极端情况。

家里有测电笔吗?

拆开它。

电笔里面有一个粉笔粗、1cm左右长的电阻。你可以把它看作“粗”导线;然后,拆个玩具电动机之类玩意儿,可以得到一根头发丝粗细的细铜线。

现在,把细铜线、粗粗的测电笔电阻串联起来,接入220v电路,会发生什么?(真动手玩的话一定要注意安全)


这种情况下,那个粗粗的电阻反而是“细水管”——这玩意儿一般阻值得有1~2MΩ呢——头发丝粗细的铜线反而是粗水管。

电子“艰难”的通过“狭窄崎岖”的粉笔粗电阻,欢快的跑在头发丝粗细的铜线搭出的大马路上。


是电阻里面的电子少吗?

不是。电子数肯定和构成电阻的原子核内的质子数相当,否则就带静电了。

因此,电阻里面的电子肯定是比铜线里面要多得多的。

那么,为什么电阻的电阻那么大(数兆欧)、而头发丝粗细十几米长的铜线,电阻却小到近乎可以忽略不计(只有零点零零几欧)呢?电阻,究竟是什么?


你看,你的思考方向受到“常识”的诱导,可以说从一开始就走上了“邪道”。

先学着自己找反例打自己的脸吧。只有这样,你才能真正学懂物理。


事实上,想要真正学懂物理知识,你就必须想办法提出各种各样的微观-宏观模型,然后想办法自我反驳、再给出更严密更精确的理论模型、继续想办法自我反驳……如此反反复复无数次,你才能真正把基本概念理解透。


反之,如果你缺了这个过程,我心里再清楚,说出来你也理解不了。

这是因为,我说的清清楚楚的那个物理过程,不管我心里有多么清楚它的正确性,在你看来,都和你随便类比出来的东西没啥差别。

如果我想真的让你明白,那么我就必须帮你把一切错误的情况都罗列出来、逐个反驳——然后你就太长不看了。

然而,我为了真正掌握那些知识,私下里进行过的思考、走过的那些弯路,远比自己能表达出来的多得多。

多到我只能选择性的罗列出“关键”的一两点,却不可能说服没有深入思考过的你。

这就是所谓的“知识的诅咒”。


我没有办法把自己掌握的知识直接灌输给你;甚至于,我灌输的越是精妙完备,你掌握到的技能就越是贫乏。

这是因为,知道错误的想法为什么是错的,这要比“背会正确的结论”重要一万倍、一亿倍


知识,其实就是“通过自己的思考找到路”的那种技能,并不是一行行黑体字。

这种技能只能从自己的探索和一次次失败中学习;把我知道的说出来,你是绝不会理解的。

所以,本着初学者的想象力尽情的犯错吧。但一定要及时自我纠正哦。

什么时候你掌握了“犀利而又精准的反驳各种貌似有理的说法”乃至“对错误一击致命”的技巧(没错,这种技巧是在自己身上练出来的。不学会对自己狠一些,怎么可能掌握知识呢),那么,你提出的、不同于前人、自己却又找不出破绽的东西,正确的几率就会很高——而不是像现在这样,一想就是笑话,一问就是傻话。

所谓专家学者,所谓诺贝尔奖大佬,他们的工作,不正是提出各种匪夷所思、但对他们自己来说无懈可击的模型吗?

你连自己这种浅薄的错误都不会自己驳斥,将来怎么可能成为工程师、科学家呢。



看了群魔乱舞的一堆新回答……嗯,几乎一个沾边的没有,犯的错倒是一个比一个低级。


看来还是得往深处掰扯掰扯。


第一个,我们必须先弄清楚什么叫“挤爆”?导体导电能否和“挤爆”这个形容词相联系?

“挤爆”很明显来自于水管这个想象。水管里水压高了,水管壁就被“挤爆”了。


很遗憾,我从一开始就告诉你们了,不要这么比较。那是扯淡。

没见过导线的话一定要买一根看一看。导线根本就不是管子,电流更不是管子里流动的、具有很大质量(比重)的流体。


简单说,通过稳恒电流的导线中,电流的表现形式就是“载流子在电场作用下运动”。

只不过“载流子”究竟是什么需要针对每种材料(甚至同种材料在不同场强下)进行讨论;而且,载流子并不是直线从正极走到负极(或者相反),而是会因为构成材料的各种原子/离子的阻挠而杂乱无章的乱撞一气、甚至经常被撞的反向运动。只是所有载流子的整体平均来说会沿着电场方向极为缓慢的移动而已。


举例来说,金属,它里面的原子以“金属键”形式存在;这就允许大量自由电子出现并在金属中移动。因此,金属的导电性往往都很高。


而P型半导体呢,它是4价的硅或锗中掺入3价元素构成;硅和三价原子结合就会欠缺一个电子,也就是形成了一个“空穴”;这个“空穴”很容易从临近的硅-硅键上夺取一个电子过来,把空穴填满——然后,很自然的,就会在旁边制造另一个空穴。

在电场的作用下,“空穴”更容易沿着电场力的方向夺取电子;就好像空无的“空穴”是一个带正电的粒子一样,不停的沿着电场方向移动,于是P型半导体就导电了。


请问,这一堆不存在的“空穴”,你怎么让它们挤?


事实上,千万不要把“载流子”看成水分子那样、在水压下快速移动的一堆小球。

不是这样。

更形象、更准确的比喻是,“电流”就好像大礼堂里无数观众坐着不动传纸条——观众就是原子核,纸条是电子。

而且,纸条的传递方向也不是整齐划一的,而是每个人想往哪传往哪传。

电场的作用就好像若有若无的一丝微风;礼堂闷热,人们更喜欢把脸冲着风吹过来的方向;但风太微弱,几乎感觉不到。只有极个别的人偶然能弄对方向,这时他就会习惯性的把纸条往面前传——于是在整体上,平均来说,纸条有一个沿着风向的反向传递的趋势。


实际的物理场景是,原子紧紧束缚着电子,只有最外层的、能量稍高的电子偶然可以脱离,然后马上就被另一个原子核吸引。

在电场的作用下,当电子偶然脱离后,它会有稍微大一点点的几率被电场力指向那个方向上的原子捕获;同时,沿着电场力方向移动时,它的速度也会快一点点——那么,再次被原子捕获时,多余的冲力就会使得原子核振动加剧,这就是电的热效应。

注意,载流子的移动速度是非常低的,经常一秒钟还不到一个厘米。因为宏观上非常细的导线里面也有海量的载流子——就好像一亿人手把手的传纸条看起来很慢,但每秒也能有几百兆的数据传输率一样。


正因为这种移动方式,导体都有电阻;电流通过导体就会发热。


低温物理理论认为,极低温度下,电子本身可以通过声子作用结合成对,也就是库伯对;构成库伯对的电子的结合能略高于晶格原子震动的能量(来自量子理论),使得它不会被晶格捕获。

于是,这样的电子对就可以“顺滑”的、像水流一样从原子核之间的空隙中穿过,不再损失能量。这就是超导现象。

BCS理论_百度百科 (baidu.com)


你看,就好像电影院里坐的整整齐齐的观众相互传纸条一样,你怎么挤?哪来的挤!


至于把“热熔”扯淡到爆的……你高兴就好。


事实上,真正能产生一点点“挤压”的,反而是断开的导线——因为电场的作用,导线一端的电子要比另一端稍微密一些。

但是,请注意,电子质量极低,它们压根不可能像水流那样造成水压。


事实上,在超强电场的作用下,一部分电子会被电场从导体中“扯”出来、高速飞向正极——这就是著名的阴极射线。

当然,只靠电场“扯”效率还是太低。因此,实际使用的阴极射线管是用灯丝加热特定的、更容易发射出电子物质,再配合高强度电场,这才能从中把电子扯出来。


没错。电子就是这么的“弱渣”。它自己都从导体中被扯出来了、也休想撼动导体晶格!


当然,我们可以进一步加强电场,用空前“残暴”的电场连晶格一并压垮!

但,这又和电流有什么关系?

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