电能是什么？它是靠电流输送的吗？也许你全错了！

电能是什么？它是靠电流输送的吗？也许你全错了！

电流是导体内带电粒子作大规模定向运动所导致的。随着电流的接通，电源的能量由某种力克服电场力做功获得的电能，被传送到电路各处以供使用。若电流经过电阻，将产生热；若经过电感，将通过安培力对外做功；若经过发光设备，则发出光。总之，电流流过的地方，就会有能量转换，即从电能转化为其他形式的能量。

读到这里，很多人的脑子里会有一副这样的画面：那些随着电流漂移的带电粒子，我们称之为载流子，就像一个个背着储能小钢罐卡通人一样，它们在电路中奔跑，将能量不断送出，周而复始，直到电源被耗尽。

01 载流子的运动

根据上面这种理解，大多数人很自然就认为，电能是通过导线，随着载流子的运动而被传送的。据此，有人用如下动画表示这种过程。导线中流动的载流子彼此连成一个环状的列车，从电源出来的载流子能量满满，穿过负载后，能量被消耗一空，电子空车又返回电源重新装载能量，再出发。

那么，物理事实真的是这样的吗？非也！仅凭一个大家熟知的事实，就可以否定这种说法。诸位在中学物理中都学过变压器，可以看到，两个线圈之间是绝缘的，电流并没有接通，所以指望电能随着载流子在导线中运动而被传递的想法是不对的。

你再想象一下，当那电站的闸刀一合上，电能瞬间就被送到了千里之外，如果真的靠导线中的电子的运动来携带电能，那速度怎会如此之快？也许你会说：也不是不可以哦，毕竟电子的速度可以很快嘛！然而，导线中的载流子的速度其实比你想象的要慢的多。不信的话，我们可以算一算。

02 电能的本质

要回答这个问题，先要了解电能是怎么得到的。本文开篇第一段就说了，电能是电场力之外的某种力反抗电场力做功获得的。电荷同性相斥，异性相吸。因此，世间万物的最佳的和谐结构内部的正负电荷之和必为零。如果要将这些原本均匀相间的正负电荷残忍分离，那必然就引起它们的强烈反抗，因此你得付出代价。

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。

03 电能的存储方式

很多人认为，储存电能的装置，电池，里面就装着电能，打开盖子就可以享用了。其实，这是一种误解，电能并不一定以电能的形式存储，实际上，绝大多数情况下，都不是以电能的形式存储。就拿化学电池来说，它存储的是化学能，在充电时，电能被转换成化学能，使用时，化学能又被转换成电能。

04 能量的转化

有了以上对于电能本质及存储方式的了解，对于本文开篇中提到的电路中的能量转换的过程，就可以理解得稍微清晰些了。之所以说“稍微”，因为这一节我们暂不讨论能量的流动，只讨论转化。

在电源被接入电路之前，它有一个储能的过程，例如化学电池就存储了化学能。我们来讨论这之后的电路工作过程。电路中的电源是能量的提供者，负载是能量的消耗者。因此，一个电路在工作过程中，涉及两个主要的能量转换。

05 电能的传送

前面已经阐明，电能并不随载流子同步运动，而是以电磁场的能量形式存在于电荷周围的空间中。电磁场一方面从电源获得输入，另一方面向负载输出能量。因此，自然而然的，能量的传输也就必定只能依赖电磁场了。

电磁场在空间中传播虽然需要时间，但是这个时间非常短，因为电磁场传播的速度是光速，因此电能传输也是以光速进行。所以你现在明白了，为什么电站的闸刀一合，电就瞬间抵达千里之外了吧！

06 坡印廷矢量

根据能量守恒定律，能量不能被创造，也不能被消灭。既然如此，当我们考虑某个空间范围内、单位时间内所有的能量转换和流动以及增减时，这些量之间应该构成一个等式，比如：转化来的-转化走的-流走的=增加的。这种公式化的语言，不仅指出能量应该守恒，而且表明它是如何守恒的。

07 直流电路中的能流

根据前面所讲，之所以电场能量不再是朝四面八方辐射，而是沿着电路的导线传输，背后起作用的是电磁场的边值关系。它给出了一种限制条件，要满足这个条件，电磁场只好沿着导线的方向传播。

参考文献

1. 梁灿彬，秦光戎等，电磁学，北京，高等教育出版社，2018.

2. Jackson, John D. (1999). Classical Electrodynamics (3rd ed.). New York: John Wiley & Sons.

3. L. D. Landau, E. M. Lifshitz, The Classical Theory of Fields. Vol. 2 (4th ed.).

来源：大学物理学

编辑：半七