電壓是什么?
電壓作為一個重要的物理量,已經(jīng)運用了二百年,一代一代的學生一直應用電壓進行物理計算、做題,物理學教科書卻從來不講授電壓是怎么形成的,這是物理學的難言之隱,一直回避了一百多年。為什么要回避、其中有什么玄機?我們先來看看電壓形成的事實。
靜電電壓:在中學物理實驗中,把帶電荷的物體與絕緣起來的金屬體接觸,電荷進入金屬體,這時外來電荷總是立即在金屬體的平面、柱面上均布、在凸出的表面聚集,同時產(chǎn)生靜電電壓,能在尖端放電。
實驗事實是:移走(來)電荷,金屬體不僅增加了電容,而且還會形成很高的靜電電壓。移走(來)電子所占的比例越高,電壓也就越高。
為什么移走(來)電子就會形成電壓?金屬導體中的靜電電壓是如何形成?為此,我們有必要看看元素周期表:所有的元素原子,其原子序數(shù)-電子數(shù)必須相同。金屬物質(zhì)雖然價電子很少,卻嚴格地遵守大自然的安排、保持核外電子數(shù)與其原子序數(shù)完全一致,每個電子在其核外的能級線路規(guī)律運轉。
在常態(tài),金屬體內(nèi)的電子運轉伴生著常規(guī)的電磁波,在金屬體內(nèi)形成磁場、構成金屬的物質(zhì)結構。(金屬體內(nèi)常規(guī)的內(nèi)磁場不顯磁性及其作用,請見
4、核外電子的運動與晶體)而外來電荷進入金屬體,受到金屬內(nèi)常規(guī)磁場的排擠,外來電荷只能在金屬體的平面、柱面上均布、在凸出的表面聚集。
外來電荷(多出或缺失電子)破壞了金屬體內(nèi)常規(guī)平衡,多出的電子就擠占、缺少電子的就挪用,造成金屬內(nèi)電子運動的混亂,這種非常規(guī)電子運動伴生著非常規(guī)的電磁波,在金屬內(nèi)表現(xiàn)為靜電電壓;并透過金屬體、在外表現(xiàn)為電場。這樣的外來電荷形成靜電電壓和電場,是大自然維持物質(zhì)電荷平衡的本能,所以外來電荷進入金屬體越多、非常規(guī)電子運動就越劇烈、電壓就越高、外在電場的場強就越強。
外來電荷的非常規(guī)電子運動伴生著非常規(guī)的電壓波、形成電壓。這樣的事實物理學為什么要回避?因為一百年來,金屬靠自由電子導電理論被奉為圣典。如果金屬內(nèi)的電子有充分的自由,那移走(來)一些電子,應該進出自由相安無事。自由電子理論與靜電電壓事實完全相悖、全然無法解釋形成電壓的存在;如果金屬內(nèi)電子沒有自由,又如何解釋自由電子導電?——只有回避。
發(fā)電電壓 奧斯特發(fā)現(xiàn)了直流電對導線外小磁針的作用,只要直流電導通,導線周圍立刻會產(chǎn)生磁場。電能產(chǎn)生磁-同時磁能生電,閉合導線切割磁力線,電路中就會產(chǎn)生感應電流。200年前,法拉第發(fā)現(xiàn)感應電流是時代偉大的創(chuàng)舉,今天,我們可以從金屬的微觀構成來檢討感應電流、探討發(fā)電及其電壓的產(chǎn)生。
金屬體內(nèi)核外電子常規(guī)運轉伴生著的磁場,在金屬體內(nèi)形成微觀的小磁鐵,構成金屬的結構。把閉合導線置于磁場中,金屬內(nèi)部分磁場與外磁場異名相吸、同名相斥,所以導線運動會有阻力。用外力克服阻力-切割磁力線,使得導線內(nèi)形成相吸引運轉的電子發(fā)生翻轉移動,這翻轉移動是電子的非常規(guī)運動,非常規(guī)翻轉移動的電子也會伴生著非常規(guī)的電磁波,此波在金屬內(nèi)傳導,就形成了導線內(nèi)的電壓波。
綜上述:電壓是物質(zhì)內(nèi)電荷不平衡或外磁場波入侵、擾動造成核外電子非常規(guī)運動所伴生電磁波。這種電磁波能在金屬導體內(nèi)原子之間的通路中傳導,并推動電子隨之運動形成電流。這種非常規(guī)的電磁波可以稱之為電壓波,簡稱電壓,其物理量為伏特。
電壓波能夠透過金屬體在外表現(xiàn)為電場或曰電場波,正因為金屬價電子少,外層較通透,能夠在內(nèi)傳導電壓波、內(nèi)外能夠?qū)妶霾?,所以是良好的導體,不是有什么自由電子。
電壓波可以是直流、或是交流、可以是方波、鋸齒波等各種波形,因而能夠形成相應波形的電流,電壓波不是所謂的電動勢。電壓波經(jīng)過配電、變電,成為220V交流電進入我們的生活。
2013-10-28
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