幾個概念要弄清楚。

第一:電場的作用是迫使電路中的帶電粒子作定向運動

注意這種電場力是作用在全電路的,而不是局部。這裡所指的全電路包括負載、導線和電源在內。

第二:電源提供了電場,也即電源電動勢

對於電源與負載電阻直接串聯的電路來說,流過負載電阻的電流與流過電源的電流相等,只是負載上的電壓表現為電壓降,而電源上的電壓表現為電壓升。

第三:電路中任何一點處的電流載流體(自由電子或離子)均來自元器件和導線自身,電源並沒有提供電流載流體(自由電子或離子)

結合第一和第二能明確地看到這一點。

我們以導線為例。導線之所以能導電,是因為導線金屬材料中存在大量自由電子。這些自由電子原本就來自於導線的金屬原子。當電子離開原子核的控制後,金屬原子帶正電,自由電子帶負電,且正電荷與負電荷平衡,所以導線的電壓為中性。

當電路載入電源電動勢後,電源電動勢產生的電場迫使導線中的自由電子作定向運動。在任意瞬間,離開導線的自由電子數量與流入導線的自由電子數量完全相同,符合基爾霍夫電流定律KCL。

要證明這一點很容易:我們會觀察到,在電路開關打開的瞬間,或者開關閉合的瞬間,導線不會發生外觀變化。

電源的情況也類似:電路中流入電源的電流與從電源中流出的電流完全相同,這就證明電流載流體(自由電子或離子)來源於電源自身,與導線無關,與負載無關。

第四:電容的初始電壓其實就是電容極板帶電(電荷堆積)後產生的電場

我們看下圖:

圖1:電容充放電過程與電源的關係

在1圖中,電容C經由開關K撥在電源E2側,我們設電容的初始電壓為0,並且電源E2的內阻為r2,於是電容電壓Uc為:

[公式] ,式1

在此過程中,電容C上的電壓越來越高,直到 [公式]

當電容充滿電後,我們把開關K撥向E1側,E1的電動勢高於E2,見2圖。此時的電容電壓為:

[公式] ,式2

注意到2圖中,電容充放電過程的快慢,只與外電阻R及電源E1內阻r1之和與電容C的乘積,此乘積叫做時間常數 [公式] 。當時間t等於5倍 [公式] 時,電壓電壓 [公式] ,電容電壓基本上充完。

由疊加原理,我們在分析充電時間常數時,必須將電源E1電動勢短路。

現在,我們可以分析題主的問題了。題主的問題是:電源在電路中,是像電容一樣提供電荷,還是類似電容中間絕緣層環境那樣,只提供電場呢?

回答:

題主在問題描述中存在兩個錯。

第一個錯:電源在電路中提供的是電動勢,以及對應的電場,不是電荷。

第二個錯:電源電動勢的建立與電容極板上的電壓建立是形似而非神似。

電源電動勢的建立屬於氧化還原反應,它與電源內部電解質濃度有關,與電極電位有關,可以用能斯特方程式來描述,與電容電壓方程式1和式2完全不同。

電源電動勢的能斯特方程式是:

[公式] ,式3

式3的具體內容就不解釋了,題主可以參看任何一本《無機化學》教材。

我們看到,式3與式1和式2是完全不同的。


看到好幾個相關的問題,我感覺有的人可能走火入魔誤入歧途了……都是一開始科普的人不好,許多科普文章都在強調電路中電場的重要性,電場建立的速度遠遠超過電荷的運動速度,導致有的人以為電路中電場纔是重要的,電荷無關緊要,這是完全錯誤的。壞就壞在科普文章說了電場,卻沒有說電場是怎麼來的。如果我們把導線換成不導電的玻璃線,那麼電場還能建立起來嗎?顯然是不行的,至少跟導線的情況下完全不一樣。可見,導線中的自由電荷,對於電路中的電場建立是至關重要的。

學習電路中的電磁場,首先要了解到,導線並不是一根空的讓電荷通過的管子,它是一根充滿了可以自由移動的電荷的管子,相同電性的自由電荷會相互排斥,因此它們之間是有電磁力相互關聯在一起的,就跟一根充滿了水的水管一樣,你從一頭灌水進去,立即就會從另一頭擠出水來,哪怕水流再慢也是一樣。而中間水相互擠壓的力量實際上就是導線中傳播過去的電場。

當電路中電場剛開始建立的時候,導線一頭受到電場的作用,而另一頭電場還沒有建立起來。這時有電場的一頭,電荷會被推動向前運動——或者向相反方向,被吸出導線,最終效果是一樣的,這裡按照推動來考慮。電荷被向前推動,但是導線有電阻,走不了多快,但這個運動是整體性的,大家都往前挪了一小步,運動電荷前方的同種電荷密度就增加了,這些電荷會相互排斥,於是將前方的電荷繼續向前推,這個推動傳播的速度是遠遠超過電荷本身運動的速度的;同時,我們也可以看到,電荷密度增加導致這個位置的導線不再是電中性的了,根據高斯定理它會產生電場。這兩件事其實是同一件事,也就是運動的自由電荷聚集建立了電場,電場推動了更前方的電荷運動,從而將電場沿著導線傳播出去

永遠不要把電荷和電場分成兩個東西來討論,它們永遠是一體兩面的。

電源的作用在於,如果電荷只是單純運動,而沒有自由電荷從導線兩端補充進來,那麼導線端點就會充電,產生反向的電場,阻止電荷進一步運動。電源的作用就是不斷將電荷補充進來,從而維持住電場,讓電荷可以持續流動,因而電源的推動作用叫做電動勢。它跟單純的電勢是不同的,它代表有某種外力把電荷從電勢低的地方搬到了電勢高的地方,這個過程同時建立了導線中的電場,讓導線產生了電流。


可能是理解的問題,題主這個題目讀起來真是有點拗口;我是做電源研發的,電源對我來說,通常說的是開關電源,開關電源也分為恆壓模式和恆流模式,分別就是負載變化保持輸出電壓不變和負載變化保持輸出電流不變;電路上使用的電源有:線性電源(LDO,7815、7915等)和開關電源(BUCK穩壓等),基本上都是穩定電壓類型的。

另外,電容是儲存電荷的,儲存的是電場能;與電感成對偶關係,電感儲存的是磁場能


贊同 @靈劍 的回答。所有的電路理論都是基於麥克斯韋方程組。

補充:

在電路開關閉合前,連接正負級的導線分別都是等勢體,在導線末端由於曲率大,電荷密度會比其它地方大,開關兩端會形成小電容,所以電路未連通時,兩端導線已經不是電中性的了,但電容小,所以電荷量也小。

在閉合過程中,兩個接頭靠近,斷點處的電荷富集會加強,如果空氣沒有電離,斷口處電場加強。導通的瞬間,局部形成很強的電流中和正負電荷,拉平電勢,那麼附近的電荷立馬來補充,一直傳導到電源兩級。快速的電流變化誘發磁場,會產生一個等效的電感L 在短暫的非平衡震蕩後,電路恢復穩態。所有的電動勢都消耗在電阻等器件上。

如果從場的能流來看,在電阻很小的地方,波印廷矢量是幾乎平行於導線的,能量是在導線附近的空間中順著導線傳播,能流並不在導線內,而當遇到電阻時,能流將有一個由外向內的分量,電磁場的能量流入導體。消耗在電阻上。波印廷矢量是一個比較有意思的東西,它才真正描述了能量的傳播。

沒有導線或由玻璃管連通的電源在空間中形成的電場分佈與接了未閉合導線也是不同的,原因在於金屬一定是等勢體。

如果電源一頭通過導線接地也可能產生瞬時電流,地球是極大的球形電容,可以提供足夠多的靜電荷給電路其它部分,會有短暫的電流,取決於整個電路與無窮遠形成的等效電容大小與電勢差,電容越大,電流就持續長,從而改變靜電荷分佈,但相對電勢差是改變不了的。


電源是用來維持電場存在的。


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