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直流电与水流的类比

已有 2700 次阅读 2018-1-14 08:02 |系统分类:观点评述| 直流电与水流的类比

直流电与水流的类比

类比法是一种科学研究的方法.下图类比水流和直流电流:

A.电源类比抽水机,是提供电源电压(电位差,也称为电势差,电动势)的装置;电位差(电势差)类比水位差;

B.导线类比水管,是传送电流的装置;

C.开关类比阀门,图中开关是闭合的;

D.电阻类比水轮机,是消耗电能的装置。

上面4点是水路与直流电电路的相似性。

水流是水的流动,电流是电荷的流动。水从高水位的地方流向水位低的地方,电流从高电位的地方流向低电位的地方。水位高低之差叫水位差或水压,电位高低之差叫电位差或电压。水压是水定向流动的原因,电压是使自由电荷发生定向移动的原因。

下面我们列出水路与直流电电路的差异

a). 水位高低是由于地球的引力势决定的(以地球的质心为原点)。抽水机的作用是外力做功把水从低水位提到高水位,见上图的B点到A点。

   电源是通过非静电力在电源内把电荷从低电位提到高电位。

b). 水和水流是由中性分子组成的。

导线虽然是中性的,可是形成电流的载流子是金属导线内的大量的自由电子。

c). 水管里的水流周围没有引力磁场。

根据安倍定律,通电导线周围存在磁场。

d). 水有一定的粘稠性,水流内部有应力,水面还有大气压的影响。

  导线里的电流几乎没有这些类比。

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其中a)虽然说明引力势与电动势的差别。可是,在传输能量的机制上有类似性。

一个由电池连接金属导线和电阻形成的简单直流电回路,对其物理过程的描述本来非常简单:电池内的化学能转化成电能,在电池二端集聚了正负电荷,产生了电动势,这个电动势(即电位差,电源电压)导线内形成了纵向电场推动导线内各处大量自由电子的运动,形成了电流,并在负载电阻R上产生了电压。直流电能的传输实际上是电动势能在导线内部各处(非局域地)转化为大量自由电子的动能的过程。直流电能的传输完全是在导线内部进行的。

由于电动势能在导线内部非局域地(包括电阻)转化为大量自由电子的动能的过程,以及上面提到的(ABCD)水路与直流电电路的相似性,我们认为目前大学教科书里的对于直流电能的传输问题描述存在误导。

目前的高校教科书,大多数用坡印亭电磁能流来描述电能的传输。比如,一本流行多年的大学电磁学教课书里有下面的图示[1]

     

上面图示表明,电源向导线外部空间输出能量(坡印亭电磁能流),再由负载电阻R从外部空间吸收坡印亭电磁能流。

坡印亭电磁能流源自麦克斯韦方程组对电磁波的描述。最近几年,我们做了一系列的实验,发表了论文[23],并重温了电学以及电磁学的发展史[4]。我们认为麦克斯韦方程组有一定的适用范围,不应该用坡印亭电磁能流来描述直流电的能量传输。

根据安倍定律,通电导线周围存在磁场。然而电流是产生周围磁场的原因,并不是周围磁场通过坡印亭能流产生了电流。上述坡印亭电磁能流传输的解释是因果颠倒!

这个问题看似很小,实际上涉及物理定律适用性的大问题。

我们要对科学负责,对学生负责,希望有关部门对大学教科书上直流电能的传输问题进行重新审核,最好能组织一场“直流电能问题的讨论会”。

参考文献

[1]. 赵凯华, 陈熙谋,《电磁学》(3)(高等教育出版社,2011)576-578

[2]. 张操,廖康佳,申红磊,胡昌伟,“交流电超光速的实验研究”,《前沿科学》2017,Vol.43, No. 1, 67-72

[3]. 张操,“关于麦克斯韦方程与经典电路理论的关系”。《前沿科学》,2017Vol.43, No.324-32

[4]. “科学史上的麦克斯韦方程是怎样发展的”,上海科坛春秋微信科普平台。http://www.sohu.com/a/210206087_334409





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