中学老师就告诉我们电子的定向移动产生了电流,电子源源不断的从发电机流向千家万户,难道发电机里的电子就不会少吗?比如三峡电站,装机容量达到了2240万千瓦,供给了江苏、广东、上海等近十个省市,那么多电子哪里来?
电流是如何产生的?
本文开头不是已经说了吗?电子的定向移动产生了电流,那么电子为什么会定向移动呢?因为导体的两端存在电动势,电子在电动势的作用下,在闭合回路中流动。在这个话题中有一个关键,就是电源,我们常说的电源就是电动势的提供者,一般我们所说的电源有各种发电机,各种蓄电池等,电动势的产生方式五花八门,不过我们今天要介绍一个最早工业应用,也是现代社会应用中最广泛、应用法拉第电磁感应定律的电磁电发电机。
导体在磁场中运动产生电流,而电流方向则可以很简单的用右手定则来判断,N-S磁力线穿过手心,即大拇指方向为导体运动方向,那么四根手指的方向就是电流方向!
“左通力右生电”是我们当年的记忆口诀,不知道各位是否还能想得起来,意思是说,判断因电而动力的方向需要用左手,判断因动而电的电流方向需要用右手。那么磁场为什么会产生电动势呢?
导体在磁场中的运动会切割磁力线,根据法拉第电磁感应定律,这个过程会产生感应电动势,但本质却是带电荷的粒子受到了洛伦兹力的作用,导体中有有两种带电的粒子,一种是电子(负电荷),另一种是正电荷的质子(原子核由质子和中性的中子组成),按理来说质子也会移动,当然如果是离子状态的话(游离了核外电子的原子核),但导体并没有达到等离子状态,因此原子核无法移动。
而导体中的原子核对最外层外电子束缚力很弱,因此在洛仑兹力的作用下,这些电子的移动产生了电流!
真的是电子的移动产生了电流吗?
毫无疑问,确实是电子的移动才产生了电流,但电子移动的速度只有几厘米/秒,这明显与我们日常操作不符合,开关一合上灯就打开了,假如几厘米/秒的话,从开关到灯泡至少也有数米,也许半分钟才能见到灯亮,这是为何?
个中的关键是电场,原本整个导体中电子与原子核的电荷中和,电动势是零,一旦电子脱离原子核束缚形成定向流动的自由电子,尽管它速度很慢,但它的电场传播速度是光速,将会以光的速度在导体两端建立起一个电动势,在这个电动势作用下,电流在导体中以光的速度建立。
电子真的从发电机里到你家了吗?
这真的是个很有趣的问题,很多朋友认为,我们家中电线中流动的电子不是从发电站的发电机里来的吗?我们来看看下面这个输电模型:
发电站发出的电我们并不能直接使用,这有两个原因,对于用户来说,这个电压太高,比如10MW以下的发电机一般输出为6kv左右,50-100MW的发电机输出为10.5kv,300MW的发电机输出18kv,但对于远距离输电这个电压又太低,因此必须用变电站将电压升高,比如110KV甚至更高,经过远距离输电后到达目的地,首先这个变电所并不是将电压直接变换为380V的民用电压(三相,相线电压380V,单相即220V),而是一个比较高的电压后在区域输电,比如10kv,然后到小区变压器再转换为380V三相民用电。
变压器是一种利用互感原理进行电压变换的一种设备(请注意交流电才能使用变压器变换电压,直流电方法比较复杂):
初级匝数>次级匝数,降压变压器
初级匝数<次级匝数,升压变压器
从发电站出来的变电站,属于升压变压器,而到目的地则需要降压变压器,所以各位会很痛苦的发现一个事实,发电站出来的电子在变压器初级绕组那里逛了一圈后就又回到发电机了,然后在洛仑兹力的作用下又跑出来,源源不断的循环。
当年你合上开关的瞬间,断路器L和N线之间将建立一个电源带来的电动势,然后电线中的电子即开始流动产生电流,所以从另一个角度来看,你家的灯点亮是因为你自己家导线中电子的流动产生的电流,但供电公司却要向你家收费,是不是一件超丧的事情?
当然这开个玩笑,想必大家都能明白这个简单的道理。