关于电学的一个巨大误解:bilibili.com/video/BV1cQ4y1e7L
这才是电真正的工作原理:bilibili.com/video/BV1T5411X7s

看了两个真理元素讲电的视频,介绍了一个思想实验,指出了“电”这个东西携带并传输能量并不是通过电子,而是通过电场. 后一个视频尤其精彩,各路网友用各种不同的方法,应该是确认了这种解释的正确性,让我看到了电工作的完整过程.

这其实算是解答了我一个长久以来的疑惑吧,因为我只在高中学习过欧姆定律那一套,但那套东西真的很难理解,我其实一直以来都没搞懂电的原理,因为搞不清这些物理量之间的“因果关系”. 当然大学学过一点电场磁场啥的,但也没有认真学,更是没有尝试用那个东西解释这个. 更重要的,我觉得我的问题在于我一直没能像这里第一个视频那样提出一个好的问题……

对我来说最大的收获在于第二个视频中的两个视角:

> 由于没有人愿意为了分析一个基本电路而去解三维麦克斯韦方程,科学家们和工程师们就想出了捷径. 比如欧姆定律,电压等于电流乘电阻,这只是所有表面电荷、电场、和不计其数的电子撞上不计其数的金属离子的宏观结果.

所以我终于知道,欧姆定律是一个模型而已,叫集总电路模型(lumped element model),它是一种工程上的便利手段,并不提供对这个世界的良好的解释.

@zero 第一个理论实验我不大理解。
假设我们有两套电路。第一套是一个巨大的环形电路,电阻几乎为0。按照视频说法,闭合后灯会立刻亮起来。第二套电路和第一套几乎一样,除了电路的两边并不连接...
从相对论来说,在1s内,我们无法得知这一点(电路两边并不连接的事实)。因此在1s内,第二套电路和第一套电路,我无法区别开来。而第一套电路能在1/c时间内点亮,意味着我可以点亮第二套电路...在导线不闭合的情况下?
按照我的理解,点亮灯泡固然是靠场,但是场并不在空气中传播,而是沿着导线外壁传播。这意味着电场传递到灯泡两端的时候,至少需要1s的时间。这类似于我拿着一根1光秒的光纤,绕地球7圈,然后发出一个光信号。尽管接收者离发送器只有1米,但是需要1s后才能看到这个光信号。

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@shell909090 我的理解:第一套电路闭合后,灯立刻亮起来的这个亮起来,是一个很微弱的亮起来,过 1s 以后,它才会稳定地正常地亮起来. 而第二套电路,1s 以后仍然是微弱地在亮,这样就把这两套电路区分开了~

@zero 首先,第二套电路在1s后是不可能持续亮的。如果导线未连接灯也会亮的话,你等于发明了直流电无线传输技术。
1s内确实,理论上会亮。问题是多微弱。两套电路在1s内,电灯的亮度,大致相当于一个超长理想超导DP天线,在接受一个电压为V的电信号时,辐射出去的电磁能,在另一个超长理想DP天线内,感应出的电压。这个“微弱亮起来”,其实几乎可以忽略不计。如果一定要计的话,理论上说,负极导线接电池负极的时候(不经过开关)也会产生一个信号。因此灯应该在开关闭合前就开始亮了...

@shell909090 感谢回复,您的反驳非常有道理,我仔细思考了一下,我第一个解释不正确. 我又重新想了一下:

第一套的现象是:闭合后立刻微弱地亮起,1s 后正常地发光;第二套的现象是:闭合后立刻微弱地亮起,1s 后熄灭.

我按照视频中的解释画了两张图,无论导线在远处闭合不闭合,开关在闭合的一瞬间,导线内部都产生了电荷的流动,于是导致了电场,电场在空气中传播,所以立刻(1/c)就到达了灯泡,电场的变化就令灯泡微弱地亮起了. 如果远处导线是闭合的,那么 1s 后导线内就有了稳定的电场,这个稳定的电场让灯泡持续发光;如果远处导线是断开的,那么不到 1s 的时间里,整个电路的导线中的电荷就完成了重新分布,且导线内部每个点的电场都是 0,于是灯泡就熄灭了.

另外我猜测,第二套的微弱亮起要比第一套的微弱亮起要弱,因为第一套是 + 电荷和 - 电荷的中和,第二要是 + 电荷和无电荷的中和,所以可能第一套的电场变化就比第二套的电场变化要大.

您看看这样解释是不是就能说得通了?都是我自己看过视频后的个人理解,欢迎继续探讨~

@zero 其实我本意是左右都不连接。这样就是两个DP天线了。
对于一边连接的情形,确实存在瞬间的点亮,而且应当是正常点亮。点亮的原因来自灯泡和电源正极接触时的电位变化。在某一时刻,灯泡的右侧残端可以视为零电位,而左端则是正极电位。因此在某个瞬间时间,灯泡两端有大小为V的电位差,同时驱动电子流动。有意思的点在于,这个时刻的开始时间,是导线接触电源正极后1-1.5s,和开关是否闭合没有关系。
你可以把残端看做是一个非常大的电容。这样更容易理解一些。

@shell909090 嗯,但左右都不连接的话,不太懂 dp 天线,但应该也是能亮一瞬间吧?

一边连接的情况,我觉得不是正常的点亮,应该是微弱的点亮……您原因里说的,电位差、驱动电子流动,就还是不用电场的那个观点啊,按照视频里的电场的观点,这是错误的.

@shrik3 @shell909090 看上去就是那个理想的思想实验在现实中实操的话还要考虑反射干扰了?没学过模电的人表示不懂……

@zero 电位差是典型的电场观点啊。高斯定律里面,E的单位是什么?V/m吧。(你要说N/C也成)其中V就是电压单位啊。对一条线进行积分,得到两端的电场差,单位不就是伏特么?说的更直白点,电场是一个有源无旋(引入法拉第定律后有旋)向量场,电位场是一个标量场。对后者做梯度运算得到前者。
导线真正能做忽略的地方在于,理想导体表面电位处处相等,内部电场处处为零。如果电流平衡时间忽略不计的话,那么导线可以视为接通即通。上面那个思想实验复杂的地方就在于,超级长的电流平衡时间,放大了可以忽略的电场重平衡过程。

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