定性分析电流、电动势、电阻这三个物理量

赵树杰 · 发表于 2019-2-13 10:53:15

定性分析电流、电动势、电阻这三个物理量
 赵树杰 辽宁省丹东市鸿运职校 摘要: 基础物理电工学中的电流、电压、电阻这三个物理量，老师讲课也只能从基本概念上进行解释，为了提高教肓质量，需要对这三个物理量做定性分析，希望能起到拋砖引玉的作用，解决这个困惑科学界多年的难题。电工学中对电流的分析是根据化学电池理论，氧化还原反应产生离子运动在闭合电路中形成了电流，电流由电源正极经过导线、负载流回到电源负极，确定了电流所流经的路径和方向。正弦交流电的出现使我们对电流的路径和方向产生了疑问，正弦交流电的电流方向在一个周期内变化2π弧度，这样的交流电流在导体内流动是不可能回到电源的。本文通过对正弦交流电流波形图及电磁感应基础理论，探究电流的运动方向和电流做功的过程。 关键词: 电流、电荷、电动势、电阻 1，电流的定性分析 1）对化学电池的电流分析 化学电池原理是化学氧化还原反应，这种反应可以理解成由两个半反应构成，即氧化反应和还原反应。从化学反应角度看，氧化过程是电子转移形成离子状态，还原反应是产生新物质。当电池两电极与外电路接通时产生了热能和磁场能，但在外电路中没有发现氧化反应和新物质的产生，所以用电池内离子运动来确认外电路中有流动电流的理论根据不足。 2）对正弦交流电的电流分析
 正弦交流电是随时间按照正弦函数规律变化的电压和电流。由于交流电的电流在一个周期内变化为2π弧度，所以电荷只能以瞬时角速度围绕以2π弧度为单位的圆运动，圆形运动的电荷因运动方向按照正弦规律变化无法回到电源，所以导体内的电子（电荷）只能在原子核外围的电子轨道上。在洛仑兹力的作用下使轨道中的电荷角动量增大与周围的电子碰撞，产生热能和磁场能，电子(电荷)运动过程没有离开原子核。 通过对化学电池和正弦交流电的分析结论是； (1)化学电池氧化反应是使电子离开原子核称离子，还原反应是使离子在电池内组成新物质，电路中的导体内没有产生氧化还原反应，也没有新物质的产生，离子现象是不可能出现的。 (2)电路中定向或随时间改变方向的运动电荷，它们的运动范围是原子核外围的电子轨道，角动量使电荷相互碰撞，电荷碰撞的间隙（微观尺度）可以理解电荷在流动，所以电路中众多电荷的碰撞还可以称电流。 (3)由于直流电源和正弦交流电源的势能使电路中导体内电子的角动量增大，使角动量增大的电子与周围电子碰撞产生热能和磁场能，奥斯特电流碰撞的磁效应也证明了这个论点。 (4)电流的能量传递靠电流产生的磁场来完成，电磁波通过空间能传播电磁信号，导体内也能通过电荷碰撞产生磁场和电磁波一样传递电磁能量。 实验1；将两个线圈叠加起来组成空芯变压器，把初级线圈两端连接36伏正弦交流电，初级线圈电流产生磁场，通过空间的间隙将场能传递到次级线圈。试验证明空芯电感线圈的电流能量可以通过间隙传递。这个试验也可以对电磁波的传播理论进行深入探索。
实验2；试验证明正弦交流电的电路中阻性电流的相位滞后纯容性电流90度，纯电感电流的相位滞后阻性电流90度，纯容性电流超前纯感性电流180度。它们之间的电角度也是围绕2π弧度变化，可以确认电荷的运动范围是原子核外的电子轨道。直流电的电荷碰撞是定向的势能使电子在轨道定向碰撞，正弦交流电是一个2π弧度的势能，驱使电子（电荷）在轨道各个角度上产生碰撞，奥斯特的电流碰撞磁效应用试验证明了电流产生磁场。电流的检测也是根据磁场强弱变化显示出电流的强弱变化。如果是磁场力能使核外电子角动量增大造成碰撞产生热能和磁场能，用电流碰撞的思维来来理解电流作功是符合自然规律。 2，本文对电动势的定性分析， 通过对电流的定性分析，电荷的运动范围是原子核外的电子轨道，对电动势的定性必然要有新的定义。根据洛仑兹力证明了磁场的作用力可以移动电荷，所以磁动势就可以使电子轨迹位移产生碰撞形成磁场。电路中电流和电压的测量所取的信号是磁场强度，所不同的是电流表的内阻较小，电压表的内阻很大，但是它们的结构和工作原理相同，定量来分析数据是完全相同。居里兄弟发现的压电效应，如电子打火机的点火器，是压电陶瓷被快速击打造成内部电子碰撞产生磁感应强度叠加形成了磁场力，也是我们认识的“电动势”。根据楞次定律的试验，磁棒的运动方向改变，线圈感应电流的方向也同时改变，磁棒的磁极改变，线圈感应电流的运动方向也同时改变。试验中是磁场力产生电流与电动势无关。但是电动势做为名词保留下来也是最佳选择。 3，本文对电阻的定性分析 通过对电流和电动势的定性分析，使我们对电阻的认识有了清晰的答案。根据洛伦兹力的原理磁场力可以使电荷位移。电荷本身的原形是原子核的外围电子。不同物质的原子核束缚电子的作用力有所不同，如果磁场力能使电子位移，原子核对电子的束缚力阻碍了电子位移，这种物理现象反映了导体对电子的阻碍作用称电阻。当外界温度升高时原子核能量增加，原子核束缚电子的作用力增加造成电阻增大，当外界温度降低时原子核能量減小，原子核束缚电子的作用力减少造成电阻减小。例如导体在超低温状态下原子核达到几乎无法束缚外围电子，使导体电阻约等于零也称超导现象。用原子核对外围电子的束缚力大小来分析电流的阻碍作用，束缚力较大的物质产生的阻力较大，束缚力较小的物质产生的阻力较小，所以把原子核束缚外围电子的作用力定性为电路中的直流电阻。 4，通过试验来验证对电流的定性分析 试验1；将两个线圈叠加起来组成空芯变压器，把初级线圈两端连接36伏正弦交流电，初级线圈电流产生的交变磁场切割次级线圈感应电流。用双踪视波器探头分别与初级线圈和次级线圈两端连接。双踪视波器显示两组波形次级线圈电流的波形滞后初级线圈电流的波形90度符合安培右手定则。 试验2；将两组线圈和铁芯组合成变压器，变压器初级线圈通正弦交流电，用双踪视波器探头分别与初级线圈和次级线圈两端连接。双踪视波器显示出初级线圈电流和次级线圈电流波形图，与试验1空芯变压器的试验波形图出现电流相位90度差。这两个试验的不相同之处是试验1通过气体传递磁通，试验2通过变压器铁芯传递磁通。试验中发现变压器铁芯作用不单纯是传递磁通，同时也兼有安匝的功能，当交变磁场切割铁芯时，变压器铁芯就会产生电荷碰撞现象。电流的磁效应通过铁芯硅钢片叠加作用于次级线圈，经过两次电磁转换，使次级线圈电流滞后初级线圈电流180度角。 1）有铁芯变压器和无铁芯变压器在互感状态下，观察初级电流和次级电流，初级电压和次级电压的相位变化，相对比较来分析它们的工作原理。在试验中发现变压器铁芯耦合的过程中能改变磁场的磁感线的方向，造成电流的运动方向同时改变。变压器初级线圈电流的感应磁场产生的次级线圈电流，根据安培右手定则判断应滞后初级线圈电流90度，但是有铁芯的变压器的次级线圈电流确滞后初级线圈电流180度。试验中的现象说明有铁芯变压器有第二次电流产生感应磁场的现象，此时唯有变压器铁芯电流才能再次产生感应磁场，感应磁场又切割次级线圈产生电流。通过对有铁芯和无铁芯互感变压器送正弦交流电的试验，观察初级和次级的电流或电压的相位变化，发现变压器铁芯也可以进行能量转换。 2）有铁芯和无铁芯变压器的相位比较，根据安培右手定则判断，用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指指向就是磁感线的环绕方向。导线电流的方向和磁感线的方向形成90度角。安培定右手定则指的磁场是电流的感应磁场不是原磁场，在分析电生磁和磁生电时这两个磁场是不能混淆的。正弦交流电在每个瞬间所产生电生磁是指电流的运动方向和所产生的感应磁场方向。按照安培右手定则的规律，变压器铁芯中的安匝作用可以再次产生交变磁场进行能量交换。变压器经过两次能量交换使次级线圈电流相位滞后初级线圈电流180度。无铁芯的变压器在试验中感应电流相位滞后原电流90度，以上的电磁现象是电工学基础理论中的互感现象。 5，解析电磁波传播原理： 日常生活中电磁波在信息的传递中扮演着非常重要的角色，但是电磁波在空间如何传播是有争议的，有人把移动手机放在真空罩內，试验中可以收到真空罩外传给它的电磁波信号，由此证明电磁波传播不需要介子。这个世界上绝对真空度在现实中是不存在的，真空罩内的气体比较稀薄但是还是可以传播电磁波信号。电磁波传播速度是每秒30万公里，电磁波功率确定后取决于波长，因为电磁波频率越高波长越短相对功率增加。波长相当于甲乙两点距离，这两点距离越近电磁波信号传播速度越快。手机信号频率是800―1900兆赫，波长是33cm―15cm，电磁波在真空中波长在33cm―15cm之间有气体原子存在就能传递电磁波信号。低频的电磁波信号因波长间距很大是无法进行空间传播。以上说明高频电磁信号在空间也是通过电子碰撞的磁效应传播，可以形象描述成金属原子布滿了空间，高频电磁信号使核外电子碰撞产生联锁反应，所以空间能量传播和电流在导体内传递的工作原理完全相同。 结束语: 世界上不可能有别的物质产生，不只是地球，整个宇宙的原子和我们这里的原子完全是一模一样的。电阻的定性首先要确定电荷是围绕2π弧度为单位的圆运动，再确认是洛仑兹力（磁场力）使电子角动量增大产生碰撞，碰撞产生的磁效应形成了能量转换。对这三个物理量做定性分析，是为了深刻理解这三个物理量，在基础物理学中它们的名称是不会改变的，原子核对电子的束缚力形成阻力称电阻，在洛仑兹力作用下使<a name="OLE_LINK2">电子角动量增大称电动势，核外围电子发生碰撞产生了热能和磁能称电流，当外加磁场力消失时电子角动量重新复原。荷兰物理学家洛伦兹讲过一句名言，物理学研究的目的就在于寻求简单的、可以说明所有现象的基本原理。 参考文献： (1)360百科 (2)物理学家张首晟,如果世界末日来临，我会带这几句话上诺亚方舟（研习社演讲） 2016年4月9日 (3)周绍敏《电工基础》2006年高等教育出版社 (4)冯杰《位移电流的热效应探讨》华南师范大学学 报（自然科学版） 1999第2期

Inversun · 发表于 2019-3-19 12:20:55

楼主太有才了，膜拜中……

Inversun · 发表于 2019-3-21 09:40:28

我只是路过打酱油的。

OUY · 发表于 2019-7-30 20:14:48

路过，很不错

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