你認為電流是通過電線流動的嗎？那你錯了

twq19810302

“日復一日，我想知道電是什么，但沒有找到答案。八十年過去了，我仍然問自己同樣的問題，但我無法回答。（尼古拉·特斯拉）
' X* u; e# o  ?7 ~
; b6 c* `* {& r/ v! x4 z- e: y) ^6 m

6 R+ }0 j6 L1 `# |% S" d( k
) m4 ]. Q& q/ |# c5 D; o

電流不是通過電線中的電子流動傳輸能量的。這是一個普遍的誤解。在一根 1.5 mm2 橫截面的銅導線中，自由電子的移動速度只有 0.05 mm/s，而且超過 10 萬個原子適合這個片段。如果能量是通過電子的簡單物理碰撞來傳遞的，那么它們需要一些時間才能沿著動量鏈移動。因此，電線中的電子只是在幾乎同一個地方來回擺動，并不是移動到別的地方。電流的本質是電荷載體的定向（有序）運動。隨后帶電粒子之間的電磁相互作用不是直接進行的，而是通過電磁場進行的。因此，電流的傳輸速度遠高于電荷載流子的運動速度，幾乎達到了光速。

, s  l/ ^& M' t, G# k5 h; C9 o

' N/ e6 v, I( G5 [
$ ~9 O( I0 c  f2 Q

從這一點可以看出，電流不是電子沿導線的運動。電線只是電流的載體。在電路中，電荷載體并不需要在電線內部運動。相反，能量在電路中通過電磁波的形式傳輸。這種電磁波可以在真空中傳播，也可以通過導體中的電子和其他帶電粒子傳播。這個過程可以通過麥克斯韋方程式來描述。

19 世紀中葉，英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋分析了當時已知的所有描述電學和磁學現象的公式。其中一個與其他的相矛盾。為了使這個方程式與其他公式協調，麥克斯韋提出了一個新的理論，即電和磁是統一的現象，并且可以用一組方程式來描述。這個理論成為了電磁學，描述了電和磁的交互作用，并預測了電磁波的存在。這些電磁波是由變化的電場和磁場產生的，可以在空間中傳播，并在到達接收器時產生電流。

/ j' L' ~( ^8 R

6 |4 ~5 g2 o  t/ O6 o) v0 j1 c

在電路中，變化的電場和磁場通過電源或其他電源產生。這些場會沿著導線傳播，并在到達負載時產生電流。因此，電流的傳輸速度不是由電荷載流子的速度決定的，而是由電磁場的傳播速度決定的。這個速度幾乎達到了光速，比電荷載流子的運動速度快得多。

2 s9 E' S* ?& }& Y2 Y* h為了使所有公式一致，麥克斯韋引入了一個新的物理量，稱為電磁波。他預測，電磁波將以光速傳播，并在電場和磁場之間交替。
) q+ S0 O! Y; ~- f( h' G  `

) Z2 r# W2 o3 U3 n  b( u) v+ q) k
% U% ?8 m2 g0 @8 ]2 ]

這個預測被證實是正確的，因為在隨后的實驗中，人們發現了無線電波和其他形式的電磁波，這些波在空氣、水和真空中傳播，可以在接收器中轉換成有用的信息。
& T5 N  z, E" ], X! J- g+ J& Z
但是，最重要的是，電磁波不需要電線來傳輸電力。事實上，電線只是電力的載體，它傳遞電磁波中的能量。

這就解釋了為什么在高壓輸電線上，雖然電子不移動，電能卻可以在數百千米的距離內傳輸。電力公司使用變壓器來將高壓輸電線中的能量轉換為適合家庭和工業用途的低電壓。

  F) t& J0 v/ H

電磁波的性質

電磁波有許多不同的特性，包括頻率、波長、幅度和相位。它們是通過波動周期、峰值和谷值來定義的，這些量反映了電場和磁場的變化。

% E' g  V# P1 p; j- L頻率是指每秒鐘波峰通過的數量，單位是赫茲（Hz）。波長是一個完整波長所需的距離。幅度是波的最大振幅，而相位是波形相對于參考點的偏移量。

不同的頻率和波長會產生不同的電磁輻射，這些輻射的能量和影響因素也不同。例如，無線電波、微波和紅外線都是電磁波，但它們的頻率和波長不同，因此它們具有不同的特性和用途。
( d/ A' ?0 p7 a, N) L% s
  M- K2 ~% ^% U$ V' l3 ^

電磁波的應用

8 ]6 b6 H( e2 f8 f: n0 D  z
  O8 R8 c: [( D) G2 Y' h電磁波有許多重要的應用。無線電通信、廣播和電視廣播都依賴于電磁波。衛星通信、雷達和導航系統也使用電磁波。
& Z" H3 C, N3 O
$ J1 Z; K8 {& x7 x
此外，醫學領域中的許多診斷和治療方法也利用電磁波。X射線、MRI和CT掃描都是使用電磁波的不同形式來捕捉圖像和診斷疾病的方法。

" E: T6 O/ O' P+ H

因此，電流不是電子的流動，而是電荷的流動。電荷可以是電子、離子或其他帶電粒子。電流并不是通過電線直接流動的。相反，能量是通過電磁場傳遞的，這種傳遞速度比電子在導線中的運動速度快得多。這種電的傳導方式是我們使用電器的基礎，也是電力工程師需要深入理解的重要概念。

雖然我們仍然對電的本質存在許多未解之謎，但是我們對電的理解已經足夠深入，讓我們能夠開發出強大的電子設備和電力系統。對于未來的科學家和工程師來說，電學領域將繼續是一個充滿挑戰和機會的領域。

3 \% _  X# B3 p) N! j) s