关于电流形成的微观原理.doc

关于电流形成的微观原理.关于这个问题，我先请教了tonydeng和廖老头两位大师，非常感谢他们，因为我的疑惑比较多，所以tonydeng建议我把问题发到讨论版来，希望tonydeng、廖老头两位大师和大家来指导一下小弟！下面是我的问题的大概，以及tonydeng的回复！里面还有一些问题没有得到解释，所以大家共同来探讨一下吧！ 1问：一个简单的带开关的电源与电阻相连的电路，当开关闭合的一瞬间，电路是没有电流的，对吧？那么电流到从无到有的过程是怎样的呢？因为最后电流大小是一个确切的值，而刚开始这个值是不可预知的！ tonyDeng：電路電流的出現，實際是電路中電場形成造成的，線路兩端一旦施加電壓，就會在電路中建立電場，從而引起載流子運動，於是產生電流。載流子在電路中的實際運動，是在本身熱運動的基礎上疊加因受到電場作用而產生的定向運動、以及與線路導體原子分子碰撞運動綜合而成的，這些運動綜合的結果令載流子在線路中的實際定向移動速率相當低，所以載流子不是從電路的一端跑到另一端形成電流的，電流是電場以光速沿線路產生的瞬間在整個電路同時形成的，電流從電壓施加的兩端開始向線路中間形成，等於兩束光向中間彙合。由於導體的晶格會阻礙載流子的定向運動，特定的電阻結構的導體其阻礙程度越大，載流子與晶格的頻繁碰撞會產生熱，甚至激發出光，這就是電阻的作用。電阻只會妨礙載流子的因電場影響而引起的定向運動，但不會妨礙電場建立的速度，所以它是不會影響電流形成速度的。能夠影響電場建立速度的電子元件是电容器和電感，它們才會影響電流建立的速度。 2问：谢谢！（1）按您的说法，电流实际上是指的电场的建立或者导体中整体载流子的定向移动趋势或者排列规律而不是狭义的载流子从电源一端跑到另一端，对吗？那么电场的建立与载流子形成定向移动趋势是不是同时发生的？电场刚刚建立时它有没有大小的概念？（2）这个大小是在电场从无到有的过程中建立的，还是电场已经建立起来了，然后才来根据电阻以及电压来确定的？我觉得应该是在电场从无到有的过程中建立的，从微观上来说在电场建立的同时，导体内载流子也就形成了定向移动，也就是它们是同时发生的，那么载流子的运动一定会受到电阻结构的阻碍，这个阻碍只能改变载流子定向移动的速度，而对于电流的形成速度是没有影响的，那么电阻对载流子的影响就造成了电场或者说电流大小的形成，这个理解合理吗？（3）对于电场的形成过程有这样一种理解，不知道你觉得是否合理：因为刚开始导体两端是不知道电源的电压的，只有根据电源两端分别与导体本身（可以定义为0电势）的电势差在导体两端形成电场然后向导体中间“移动”，最后再各自跑到各自的另外端口，根据最终的电势差来完成整个电路的电场大小的确定！（4）还有就是你说：“載流子在電路中的實際運動，是在本身熱運動的基礎上疊加因受到電場作用而產生的定向運動、以及與線路導體原子分子碰撞運動綜合而成的”以及“電阻只會妨礙載流子的因電場影響而引起的定向運動”，那么电阻不会妨碍载流子本身的热运动以及与原子分子的碰撞吗？谢谢.问题有点多，也有点绕口，但是很希望更加正确的去理解它！tonyDeng：電阻影響所在空間的電場強度。電場建立速度是一回事，電場強度能有多大由是另一回事。（1）按您的说法，电流实际上是指的电场的建立或者导体中整体载流子的定向移动趋势或者排列规律而不是狭义的载流子从电源一端跑到另一端，对吗？那么电场的建立与载流子形成定向移动趋势是不是同时发生的？电场刚刚建立时它有没有大小的概念？電場的建立與載流子形成定向移動趨勢是同時發生的（牛頓第二定律，加速度與力是同時的）。電場剛建立時肯定有大小的概念，那就像波的傳播一樣，由近及遠，隨著傳播，越来越多的影響因素加入，不斷改變整體的結構，直至穩定。誠如前面所說，這個過程相當迅速（跟光進入某種介質一樣），感覺不到不等於沒有過程。（2）这个大小是在电场从无到有的过程中建立的，还是电场已经建立起来了，然后才来根据电阻以及电压来确定的？我觉得应该是在电场从无到有的过程中建立的，从微观上来说在电场建立的同时，导体内载流子也就形成了定向移动，也就是它们是同时发生的，那么载流子的运动一定会受到电阻结构的阻碍，这个阻碍只能改变载流子定向移动的速度，而对于电流的形成速度是没有影响的，那么电阻对载流子的影响就造成了电场或者说电流大小的形成，这个理解合理吗？是的，是逐漸建立起來，跟前面的解釋一樣。電阻在宏觀上阻礙載流子的定向漂移速度，但微觀上是電阻使載流子與電阻物質的晶格碰撞更加頻繁（導體的性質就是使自由載流子更加容易通過），熱運動加劇，這相當於運動的轉換，電場本來驅使載流子定向運動，由於碰撞而轉化成熱運動，在總能量上是守恆的，只是表現的形式不同。電流的定義，是宏觀上在一定時間內通過某截面的電荷量。電阻使載流子定向移動的速率更加減小，與表現為電流減小是吻合的。（3）对于电场的形成过程有这样一种理解，不知道你觉得是否合理：因为刚开始导体两端是不知道电源的电压的，只有根据电源两端分别与导体本身（可以定义为0电势）的电势差在导体两端形成电场然后向导体中间“移动”，最后再各自跑到各自的另外端口，根据最终的电势差来完成整个电路的电场大小的确定！這個解釋比較直觀，但仍然有問題。電勢差是雙方面的，施加在電路兩端的電勢差，是一端電勢與另一端電勢的差値，比如正極的電勢是+10V，負極的電勢是+5V，那麽端電壓是5V，兩端都是正電勢，與零電勢的迴路相接，在開始時應會出現電流向中間流動的現象，然後再逐漸修正，然而現實未必如此（或者會有實驗證實，但我沒聽過）。（4）还有就是你说：“載流子在電路中的實際運動，是在本身熱運動的基礎上疊加因受到電場作用而產生的定向運動、以及與線路導體原子分子碰撞運動綜合而成的”以及“電阻只會妨礙載流子的因電場影響而引起的定向運動”，那么电阻不会妨碍载流子本身的热运动以及与原子分子的碰撞吗？谢谢.问题有点多，也有点绕口，但是很希望更加正确的去理解它！ tonyDeng：電阻影響所在空間的電場強度。電場建立速度是一回事，電場強度能有多大又是另一回事。補充：更多的解釋見上第一點。（1）那么电场刚刚建立时的大小与什么有关系呢？（我是指在电源与导体接触的瞬间，不是整个电场建立哈）（2）如果只用电源一极去接粗导体的一端，导体内部是不是会有瞬间电场以及电荷的定向运动，直到电场传到导体另一端，这样整个导体就与电源该极的电势相同了，然后导体内部电场是否还存在？这样瞬间的电场建立能不能称之为电流呢？“電流是電場以光速沿線路產生的瞬間在整個電路同時形成的，電流從電壓施加的兩端開始向線路中間形成，等於兩束光向中間彙合”这是您说的关于电流形成的过程，请问它和我说的关于电场由导体两端分别的电势差然后产生电场向中间形成有什么区别呢？电流要形成肯定和电场是同步的，那么要有电场的传播是否又必须要有电势差？你所說的電源是什麽機制？電源通過什麽起作用？逐漸感覺你鑽死路越鑽越窄，有人指導的吧？你考慮一下如下三個問題：1.一個靜止的點電荷，你用另一個點電荷或帶電平板接近它，該點電荷即受電力運動，從而形成電流，你覺得這裡電源是什麽機制？2.電荷在平板電容器中的運動也同樣是電流，就如閃電。3.一個蓄電池，你拿一塊金屬片接觸它的任意一極，有電流出現嗎？估計三個問題你都會答，但你可能不會知道這些其實都是所謂的“電源”，在我們這裡所討論的是驅動電荷運動的電因素，即一直所說的電勢差。電路中的電源有電勢差和電動勢兩種機制，前者是純電學的，但後者是非電學機制的。產生電流的途徑有很多種，由於電磁感應而產生的涡旋電流（如電磁爐）就根本不存在什麽電勢差（對涡旋電場來說是沒有電勢概念的）。當你在再三再四地說什麽用電源的一極接觸電阻可以產生電流的時候，肯定已經鑽進了死胡同。我觉得自己有时候想问题总容易钻牛角尖.如果不把自己有些不确定的东西弄清楚就不舒服，其实大部分是因为知识面太窄了，想东西太单一了，所以多谢tonydeng的指导哈 还是要问一下3.一個蓄電池，你拿一塊金屬片接觸它的任意一極，有電流出現嗎？这个我还是想不明白，按照前面“電流從電壓施加的兩端開始向線路中間形成，等於兩束光向中間彙合”的话，在电场还没有形成时，金属片不知道蓄电池的两端电压的，这样理解的话，蓄电池两个极都会在金属片两端分别产生作用的，最后才会在电场形成过程中逐渐稳定，这样理解的话，我觉得一块金属片接触蓄电池任意一极会有瞬间电流的！我想当一个直流蓄电池在电路中与一个平行板电容相连的时候，电容两端会形成电压（即对电容器充电），那么这个电压的形成肯定会有电荷移动的过程即瞬间电流，那么当电容两个平行板很远的时候就相当于蓄电池一极接金属片吧！蓄電池對外輸出電能的條件是構成迴路，電池的兩極要通過導線對接，才能在兩極上產生電壓，驅使導線中的載流子運動。如果兩極不能搭接通路，是不會有電流的，兩極也沒有電場，更沒有電勢，這就足以說明你那種極端電勢與導體構成電勢差形成電流的模型是不合适的。在平行板電容器中，電荷是受到兩極板之間的電勢差的作用而運動，不是因電荷與其中一塊極板有電勢差而運動。這同樣是對你那種模型的否定。自由電荷在帶電體週邊空間受帶電體電場的作用而運動，同樣也不是因爲自由電荷與帶電體之間有什麽電勢差，而是帶電體與無線遠處有電勢差。電磁場是以電磁波形式存在於空間的，它不斷向外傳播，在它還沒有傳播到的空間，就不會有電磁作用，電流的形成需要時間，不過是電磁波遍佈電路所需的時間。在電源兩端接上一萬米的導線，導線兩端的電勢差不用電場走過一萬米才能建立起來，在電源內部兩極之間的短距離就可以迅速建立起來。只要導線兩端有電勢差，電流就會形成。導線兩端的電勢差不是電源極板與導線有電勢差，而是電源兩端有電勢差。電源一接通，一開始它的輸出電壓會較高，因爲此時“發現”的電阻較少，隨著電場的傳播，沿途發現越來越多的電阻，就會對電源產生反作用，削弱電源的輸出電壓，直至電路穩定。（1）“蓄電池對外輸出電能的條件是構成迴路，電池的兩極要通過導線對接，才能在兩極上產生電壓，驅使導線中的載流子運動。如果兩極不能搭接通路，是不會有電流的，兩極也沒有電場，更沒有電勢，這就足以說明你那種極端電勢與導體構成電勢差形成電流的模型是不合适的。”在電源兩端接上一萬米的導線，導線兩端的電勢差不用電場走過一萬米才能建立起來，在電源內部兩極之間的短距離就可以迅速建立起來。只要導線兩端有電勢差，電流就會形成。導線兩端的電勢差不是電源極板與導線有電勢差，而是電源兩端有電勢差。对于这两点,我想问一下蓄电池是怎么判断是否已经构成了回路？在电池两极与导线对接时肯定还是要有一种信号“通知”蓄电池已经构成了回路从而形成电压，驱使导线中的载流子。（2）直流电源可以给平板电容器充电，对吧?这就说明在充电过程中，有电荷的移动，能不能把位移电流拿来解释平板电容器充电呢？这样的话，即符合了构成回路才会有电流，又可以认为充电过程中也有电流，但是这样的话，我想问的是，平行板电容