1000 万 粉丝 科普 播主 Veritasium 翻车 ？30 万公里 长 的 导线 ， 灯泡 几秒 才 会亮 ？ (2)
我 再 塞 一個 電荷 比如 我塞 一個 正電荷
你 說 在 這種 情況 下
空間 中 電場 和 磁場 是 什 麽 樣子 的 呢
咱們 先 來說 電場
電場 是 正電荷 發出 來 的 是 吧
它 應該 是 這個 樣子 的 往外發
好 那 磁場 是 什 麽 樣 呢
磁場 是 由 磁鐵 產生
我用 這個 顏色 的 筆寫
它 是 這個 樣子 的
好 在 外邊 是 N 級 往 S 級 指
裏邊 我 就 不畫 了
好 那 麽 咱們 來 思考 一下
請問 在 上面 的 這個 點
它 的 坡 印亭 矢量 是 什 麽 方向 呢
我們 伸出 右手
讓 四 指先 指向 電場 的 方向 朝上
再 轉向 磁場 的 方向 朝 左 你 看 出來 了 嗎
這個 坡 印亭 矢量 是 朝 我們 的
我用 這個 綠色 的 筆來 表示 坡 印亭 矢量
它 是點
朝 我們 的 能量 是 往 我 這邊 流動 的
再 看 底下 底下 電場 是 往 下 的 磁場 是 往 這邊
電場 叉 乘 磁場 是 往 裏 的
所以 坡 印亭 矢量 是 叉
所以 你 能 想象 嗎
每 一個點 你 都 可以 這樣 畫
那 我 告訴 你 最終 的 結論 是 什 麽
你 會 發現 最終 的 結論 是
在 這個 磁鐵 的 周圍 會 形成 能量 的 環流
這個 能量 的 環流 是 這樣 流動 的
雖然 在 這個 磁鐵 上 只是 有 一個 電荷
它並 沒有 什 麽 發電機 之類 的 東西
但是 的確 會 形成 這樣 一圈 一圈 的 能量 流動
就 環繞 在 這個 磁鐵 和 電荷 的 周圍
就 會 出現 這樣 的 一個 情況 非常 的 神奇
雖然 我 這邊 只有 一個 磁鐵 和 一個 電荷
但 我 周圍 確實 存在 能量 流動 的
就 好像 說 有 一個 龍卷 風 總是 圍繞 著 這個 磁鐵
一直 在 那 轉圈 一樣 是不是
非常 的 神奇
那 我們 開始 不是 要講 電路 嗎
怎 麽 你 講了 半天 的 電磁波 呢
因為 電路 中 的 能量
它 也 是 通過 電磁波 進行 傳播 的
這個 觀點 在 中學 的 時代 我們 是 沒有 講的
中學 時代 我們 一直 都 認為
說 電路 中 的 能量 是 電流 傳遞 的
但 如果 你 要是 認為 電路 中 能量 是 電流 傳遞
有 一個 很 嚴重 的 問題
就是 能量 到底 是 順著 電流 方向
還是 反 電流 方向 呢
如果 能量 是 順著 電流 方向
那 難道說 是 正極 發射 能量 負極 又 吸收 能量 嗎
所以 這個 觀點 就 非常 神奇
我們 來說 一說 電路 的 情況
首先 我們 研究 一下 電池
假如 這裏 有 一個 電池
這個 電池 一端 正極 一端 負極
現在 電池 已經 接通 了
自然而然 會 形成 一個 這樣 的 電流 對 不 對
好 咱們 來 思考 一下
在 這種 情況 下
電池 周圍 既會 有 電場 也 會 有 磁場
咱們 先說 電場 的 情況
因為 右端 是 正極 左端 是 負極
而 電場 總是 從 正電荷 往 負電荷 發 的
所以 電場 在 內部 就是 向 左 的
那 麽 在 這個 電池 的 附近 其實 也 會 有 電場
也 會 有 電場
它 的 方向 是 一致 的
好 這是 電場 的 情況
再說 磁場
磁場 是 電流 產生 的
所以 按照 右手定則 右手 握住 這根 導線
大拇指 的 方向 指 的 是 電流 方向
四指 的 繞 向 是 磁場 方向
所以 你 看 這 磁場 什 麽 方向 呢
磁場 應該 是 這樣 繞 的 吧 是不是
應該 是 這樣 繞 的
在 上面 是 垂直 紙面 向外
在 底下 是 垂直 紙面 向 裏
這是 磁場
好 現在 我問
那 麽 請問 電池 上方 的 坡 印亭 矢量 是 什 麽 方向
也 就是 能流 是 什 麽 方向
咱們 思考
首先 電場 是 往 左 的 右手 四 指指 向 左邊
再 轉向 磁場
磁場 是 朝 我們 的 往外 的
則 大拇指 就是 坡 印亭 矢量
或者說 能流 的 方向 能流 是 向上 的
你 明白 什 麽 意思 了 嗎
這個 意思 是 說
這個 電池 正在 把 能量 發射 到 電磁場 中
它 在 空間 中往 外發 能量 的
說 只是 上面 這樣 嗎
不是 底下 也 是
你 仔細 看 底下 這 一塊
電場 是 往 左 的 磁場 是 朝 垂直 紙面 向 裏 的
你 會 發現 它 的 坡 印亭 矢量 是 往 下 的
所以 整個 這個 電池 它 是 在 往 外發 能量 的
這個 前後 也 在 往 外發
這 本來 是 個 立體 的 圖
但 我 沒有 辦法 畫出 立體圖 來
我 就 畫成 這樣 一個 示意圖 的
就 整個 這個 電池 形成 了 電流 之後
它會往 外發 能量
你 說 那 電池 是 總 在 發 嗎
也 不是
如果 這個 電池 沒有 接通 它 就 不發 能量
為什 麽 呢
因為 不 接通 時 沒 電流 沒 電流 就 沒有 磁場
你 只有 電場 是 不會 形成 坡 印亭 矢量 的
你 只有 有 了 電流 電流 形成 了 磁場
磁場 電場 在 一塊
你 才 會 有坡 印亭 矢量 你 才 會 往 外發 能量
所以 接通 之後
它 能量 的 消耗 是 把 能量 發射 到場 中 的
好 這是 電池
咱們 來說 一下 燈泡
燈泡 跟 電池 有什 麽 區別 呢
其實 區別 也 不大
唯一 的 區別 就是
如果 電流 從左往右 流過 了 燈泡 的話
那 麽 左邊 這個 燈泡 是 帶 正電 的
而 左邊 帶 正電 右邊 是 帶 負電 的
所以 跟 電池 相比 它 唯一 的 區別 就是
燈泡 它 的 電場 方向 和 電流 方向 一致
就 這 麽 點 區別
磁場 方向 也 是 用 右手定則 去 判定 的
這是 磁場 方向 對 吧
然後 你 再 一 比劃 你 就 會 發現
對於 燈泡 來講 因為 磁場 方向 是 一樣 的
而 電場 方向 卻是 跟 電池 相反 的
所以 就 造成 了 燈泡 是 什 麽 能 的
是 吸能 的
這 能量 它 都 就 往 燈泡 身上 走
這不 就是 燈泡 消耗 能量 的 原因 嗎
所以 相當於 是
這個 電池 把 能量 發射 到 電磁場 中 了
然後 這個 電磁場 又給 了 燈泡 能量
所以 燈泡 才 亮
因此 能量 並 不是 順著 電流 走 的
而是 順著 電磁場 走 的 是 這樣 的 是 吧
當然 我們 還 可以 再畫 一根 導線
比如說 這是 一根 導線
這個 導線 也 裏邊 有 電流
如果 導線 形成 了 電阻 的話
那 麽 它 導線 內部 也 是 需要 有 電場 的
有 電場 導線 內部 電流 才 能夠 形成 是 吧
但是 導線 還有 一個 特點
它 不光 有 電場 而且 在 導線 的 表面 還會 有 電荷
如果 這根 導線 比較 靠近 電源 正極 的話
它 表面 上 的 電荷 就是 正 的
雖然 不 多 但 它 確實 有
所以 就 造成 了 它 在 導線 外側 的 電場 是 斜著 的
這是 導線 附近 的 電場 的 情況
我 這裏 沒有 嚴格 地去 解釋 為什 麽
但 結論 就是 這樣
就是 如果 一根 導線
它 靠近 電池 正極 的話 它 表面 會帶 正電
於是 它 外部 的 電場 有 一個 斜著 的 趨勢
而 它 的 磁場 方向 跟 剛才並 沒有 什 麽 區別
還是 這個 樣子 的
這樣 右手定則 握 它 的
所以 咱們 來 思考 一下
在 上方 它 的 坡 印亭 矢量 是 什 麽 方向
右手 四指 先 指向 這個 叫 電場 的 方向
然後 我 再 轉向 磁場 方向 朝外
你 發現 了 嗎
它 這個 坡 印亭 矢量 是 這個 樣子 的
它 是 這個 樣子 的 坡 印亭 矢量
底下 也 是 它 是 這樣 的
這種 坡 印亭 矢量 就 非常 神奇
它 一方面 有 一個 順著 導線 往前 的 趨勢
也就是說 能量 會順著 導線 走
但 另外 一方面 它 還有 一個 朝著 導線 走 的 情況
這是 什 麽 情況
這 意思 是 導線 自己 也 在 消耗 能量 對 不 對
所以 這根 導線 一方面 來講
這個 電磁場 會順著 導線 往前 把 能量 送 過去
另外 一方面 還有 一部分 能量 會 送到 導線 裏邊
用來 給 導線 消耗
好 我們 再來 畫 一種 情況
如果 這 還是 一根 導線
那 麽 這根 導線 是 靠近 了 電池 的 負極
那 麽 情況 又 如何 呢
此時 電流 還是 朝右 的
如果 導線 靠近 電池 負極 的話
它 的 表面 會 有 負電荷 它 的 表面 會 有 負電荷
所以 在 內部 形成 電場 是 這樣 的
而 在 外部 的 電場 是 這樣 的
它會 形成 這樣 的 一個 電場
磁場 和 剛才 沒有 區別
好 請 大家 判斷 坡 印亭 矢量 的 方向
電場 四 指指 電場 然後 轉向 磁場 發現 了 嗎
此時 坡 印亭 矢量 是 這樣 的 這樣
這個 坡 印亭 矢量 就 有意思 了
你 看 它 電流 是 朝右 走 的
而坡 印亭 矢量 或者 是 能量 的 流動
一方面 它 往 導線 中 走 讓 導線 消耗
另外 一方面 能量 還反著 電流 的 方向 走 對 不 對
所以 能量 絕對 不是 順著 電流 方向 的
它 有 的 時候 是 順著 導線 的 電流 方向
有 的 時候 它 反著 導線 的 電流 方向 不 一定
那 能量 最終 跑 哪 去 了
跑 到 燈泡 上去 了 對 不 對
綜上所述 就是 電池 把 能量 放到 了 電磁場 中
然後 這個 電磁場 能夠 順著 導線 走走 走
就 走 到 這個 用電器 最終 能量消耗 在 用電器 上
電磁場 才 是 電能 的 傳遞 路徑
那有 同學 可能 會想
既然 能量 是從 電磁場 傳遞 給 燈泡 的
那 我 要 導線 幹什 麽 呢
導線 有 兩個 作用
第一個 作用 導線 可以 引導 電磁場
如果 你 只有 一個 電池 的話
它 這個 磁場 沒有 方向性 電場 沒有 方向性
它 往 四面八方 傳 對 吧
所以 不 受約束 不行
導線 可以 引導 電磁場
第二點 就是 導線 可以 形成 大 電流
形成 大 電流 之後 可以 形成 比較 強的 磁場
擁有 足夠 的 功率
你 如果 沒有 導線 的話 就 沒有 電流
沒有 電流 的話
你 就 沒有 辦法 形成 比較 強的 電磁場
沒有 辦法 形成 電磁場 的話
你 燈泡 的 功率 不夠 它 也 不會 亮 是 吧
所以 兩個 作用
一個 是 引導 電磁場 作為 一個 波導
第二個 是 形成 一個 大 電流
好 明白 了 這個 道理 之後
我們 就 可以 把 一個 電路 完整 的 畫 出來 了
咱們 看 假如 左側 是 一個 電池
然後 用 導線 去 連接 到 右側 的 一個 燈泡 上 了
連接 到 右側 的 一個 燈泡 上
電流 自然而然 是從 正極 往 負極 流
流完 之後 從 負極 又 流回 正極
是 這樣 的 順時針 的 一個 電流 對 吧
好 那 我們 來看 一看 電場 磁場 和 坡 印亭 矢量
究竟 是 怎 麽 樣 的
首先 我們 現在 說 電場
因為 靠近 正極 的 導線 是 帶 正電 的
靠近 正極 的 導線 帶 正電
靠近 負極 的 導線 是 帶 負電 的
所以 它們 之間 會 形成 電場
這個 電場 的 情況 就是 這樣 的
電場 的 情況 這樣 的 這樣
好 這是 形成 電場 的 情況 電場 的 情況
好 正電荷 發射 不是 吸收
它 應該 是 往 外發 的 往外 發 的
好 這個 電場 我們 畫完 了 之後
下面 就是 磁場 什 麽 樣 呢
因為 電流 是 這個 樣子 的 是 吧
所以 用 右手定則 去 握 它
磁場 的 方向 應該 是 在 導線 附近
形成 了 這樣 一個 一個 的 圓環
一個 一個 的 這樣 的 一個 圓環
這樣 握 形成 了 這樣 的 一個 一個 的 環
好 那 麽 你 可以 去 計算 一下 每 一個點 的 坡 印亭 矢量
每 一個點 都 有坡 印亭 矢量
都 有 能量 流動 對 不 對
你 把 整個 這個 電路 坡 印亭 矢量 都畫 出來
最後 的 結果 是 什 麽 樣 呢
大概 是 這個 樣子 的
就是 電池 往外發 能量 發 能量
發 的 時候
通過 這個 導線 然後 傳遞 到 這個 燈泡 這來
既 可以 從 上面 傳 也 可以 從 底下 傳
所以 它 和 這個 電流 的 方向 沒 有關 系
所以 它 和 這個 電流 的 方向 沒 有關 系
就 電流 不管 是 這樣 走 的 還是 這樣 走 的
