电与电能对人类社会来说,无疑是影响最深刻的科技发现与发明。在三峡水电站,强大的水流从高处往低处直泄而下,水流带动发电机,水的动能也转换为电能,在几乎瞬间,这电能被传送到千里之外的城市,带动那里的电气设备,比如一台风扇。再想想,这边水在流,几乎同时,能量被传送到遥远的地方,转动那边的风扇。神奇!
那么这股能量是怎么传送过去的呢?准确的问题是,这股电能是靠什么载体从三峡传到千里之外的呢?
有人会说,靠电线嘛。
那么接下来的问题是,电线又怎么让那么多能量在几乎瞬间传递到远处呢?
有人会说,肯定是电线里的电子了,因为那是电线里唯一在流动、运动的粒子。
确实,粗看起来似乎除了电子,没有其他的可能了。但想想看,难道细细电线中(相对于大江)的电子流竟然携带着长江激流的动能?这可能吗?电线里导电电子的质量可只有电线质量的几万分之一。
这么一个看似简单的为什么,估计大部分电机系毕业的人也不知所以然。
先看看电线里的电子能否承载这么多能量。根据
这个网页取三峡到上海的一条输电线路为例,电压500千伏 (5*10^5 volt),设计输电功率300万千瓦 (3* 10^9 watt)。P=V*I. 因此输电电流约 I = 3/5 * 10^4 A ~ 6000A。这个6000A是什么意思呢?就是每秒钟有6000库仑的电荷流过去。而一库伦的电荷相当于 6* 10^18个电子。而一个电子质量约为 9* 10^(-31) 公斤。
因此在三峡到上海的直流输电线上,每秒钟流过来的电子总质量为:6000* 6* 10^18 * 9 * 10 ^ (-31) ~ 3* 10^(-31+18+3+2) = 3^(-8) 公斤
或者说,每秒钟从电线那端流过来的电子总质量只有 0.00000003公斤,跟一根短头发的质量是一个量级。而每秒钟从三峡传送过来的能量是 30亿焦耳。不用计算就可以看出来,一根头发如果要带有这么大的动能,其速度得接近光速,因此靠电子来携带这么大的能量是不可能的。另外我们其实可以根据电线的截面积A,电子的数密度n, 计算电线中电子的漂移速度v. 因为电流 I = n*A*v ,假设电线截面积 10^(-6)平方米,则可以算出 v = 6000* 10^6 * 6* 10^18 /(8.5 * 10^28) ~ 10^(3+6+18-28) ~ 0.1 (m/s)。也就是说,电子的漂移速度才 每秒0.1米。0.00000003公斤电子携带的动能只有几十亿分之一焦耳,微乎其微。
因此,电线中的电子不可能是能量的载体。
那么能量如何从三峡传到上海?如果不知道这个问题的答案,也不必气馁。很多东西人类都是先用上了,才搞清楚内在的机制。电也是。人们在1832年就发明了发电机;爱迪生1879年就发明了电灯,并开始商业化;但到1897年,物理学家才实验发现了电子。
明天接着写。。。