电能是什么?它是靠电流输送的吗?也许你全错了!( 二 )


电能是什么?它是靠电流输送的吗?也许你全错了!

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例如,用某种方法让一块物体带电的过程中,在获得第一个电荷微元时,几乎不费什么力,但随之后面的其他所有电荷都是新来的了——将受到越来越大的排斥力——因为同性相斥 。
类似的,下面这个惊心动魄的挖坑(fen)过程中,随着他越挖越深,为了将沙子放到逐渐变高的沙堆顶上,他需要对沙子作更多的功 。
电能是什么?它是靠电流输送的吗?也许你全错了!

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设某次搬运的沙的重量为 ,此时沙堆与坑的落差为 ,则此次做功为 待挖坑完毕时,他克服重力做的总功为 这个总功即为沙土的重力势能的增加量 。
类似的,在不断的搬运电荷的过程中,你也不断做功,直到你最终获得一个宏观带电体,你所付出的全部做功之和被转换为一种能量 。
所以,当你获得一个带电体时,你也就获得了一份能量 。
那么这个能量是什么呢?换句话说,这个能量是以什么形式存在呢?
堆沙时,移动沙作的功变成沙的重力势能 。类似的,搬电荷也会造成一种势能的积累,它就是电势能 。
相隔一定距离的电荷,都处于对方形成的电场的势力范围中,或吸引或排斥 。但却因为某种阻隔,无法无限靠近或远离 。保留进一步靠近或远离的趋势和潜力——引而不发,就像射雕大侠手中的弯弓一样,形成彼此之间共有的一种潜在的能量,此乃电势能是也 。
电能是什么?它是靠电流输送的吗?也许你全错了!

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所以,从物理上说,电能的本质就是电势能 。
那么,说来说去,作为电能本质的电势能,到底存在于哪里呢?
有人说,势能是作用双方共有的,但这样说还不够明确!
现代物理学认为,势能是场的能量 。场的能量与动能不同,它不是被一个运动的粒子所携带的,而是处于粒子周围的空间中 。
这其实是场的观点所带来的最深刻的物理思想的变革——能量存在于空间中,而非物体上 。而实际上,不光电势能如此,重力势能也是如此,所有的势能都是如此 。
当你剪断悬挂重物的的绳子,物体的势能将被释放,产生能量转化 。实际上,墙上的插座打开时,类似的事情也发生了:被蓄于插座内的能量就被放行了 。
其实,只有这种引而不发的能量才可以收放自如,如果电能本质上是动能,那岂能靠一个开关就能管得住那千千万万个活蹦乱跳的载流子儿?
一个高温物体,它要散热,不要说什么开关,就算是用毛毯包起来,你都很难阻止它的能量流出,因为热能本质上真的就是微观粒子的动能 。
你现在明白了,那些带电粒子的体系所具有的电能,并不在粒子自身上,而是粒子的身外之物,它在粒子的周围空间中 。它并不会随着载流子的运动而被同步输送 。但它会随着电场的建立而扩展到所能到达的全部空间 。
如果电荷是静止的,则只有电场,只有电场能 。但若是运动的电荷或电流,还会有磁场!因此更安全的说法是电磁场,电能包含电场能量和磁场能量 。
电场的能量存在于电场的空间中,它应该可以用电场的量来表示 。没错,单位空间体积内电场能量为 其中 为电场强度, 为介质电容率 。对此式,下面浅色字体部分给出了一个简短的推理过程,不感兴趣可以跳过 。
考虑最简单的均匀电场,它可通过平行板电容器获得 。类比上述挖坑过程,设某次充电 ,此时电容器的电压为 ,则外力在此次充电时做功为  。
 
若将充电过程中外力反抗电场力所做功累计起来,就是获得的电能,即 设最后电压为 ,设电容器电容为 ,设每一次充电无限小,则上式为 根据电容定义 ,即 根据平行板电容器的电容表达式 考虑到 及 ,可知 这说明,单位体积内电场的能量,即能量密度为 对于电路,由于电流的磁效应,还有磁场,磁场能量密度与电场能量密度是类似的,即
其中 是磁场强度, 为介质磁导率 。所以得电磁场能量密度就是
此式对一切电磁场都适用 。因此,只要知道电磁场的分布情况,将其对空间积分,就得到电磁场能量的值 。
讲到这里,有人会有这样的疑问:电池里面储存的是电能吗?如果是,也是存在于电池内外空间中吗?
这其实涉及电能的另一个问题:电能是如何被存储的?


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