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电的速度,百年误导----科学网张操教授的博客

(2018-07-31 21:45:47)

电的速度,百年误导

已有 162 次阅读 2018-7-25 08:19 |系统分类:观点评述| 电的速度百年误导

  http://image.sciencenet.cn/home/201807/25/081552wxiv42xcxi043i60.jpg

电,改变了人类的生活,但电能是怎样传输的?电的传播速度是多少?这些基本问题看起来简单,其实100多年以来,没有人仔细研究过。

人们每天都在使用直流电器,例如手机,笔记本电脑等。典型的直流电路具有一个电池,电池二端由金属导线连接一个负载电阻。金属导线内自由电子的运动速度是很慢的,小于 1毫米/秒。

对于最简单的直流电路里电能的传输,普通大众都相信电能是由导线输送的;但大学教科书却说:电能先从电源向空间发射出去,再从电路外进入电阻等用电器。这是否将简单问题复杂化了呢?

关于电能的传输速度,一般都认为这个速度就是电磁波的速度,即真空光速c,可是100年以来似乎没有人进行过具体的实验。如果从百度打入关键词:“电的速度” ,第一页的结果如下:

http://image.sciencenet.cn/home/201807/25/081712rhahw3l23b8shhab.jpg

上面的所谓答案,其实是百年误导!电的传播速度等于真空光速吗?

我们强调,电的速度是指电场的速度,通俗地说,是代表电压的速度,电信号的速度,或者电能的速度。从2013年开始,本人与复旦大学的一位研究生等合作者共同进行了这方面的实验。对低频交流电路,经过不同材质、不同长度,不同结构等等上百次的实验,我们发现,低频交流电的速度会随着电路的参数而变化;在大多数的情况下,电信号速度小于光速,但在特定条件下(频率低于2MHz、采用几米长的单导线)交流电的速度可以超光速。

720日,由上海市老科协举办的现场实验演示会上。我进行了实验演示。实验是导线一长、一短的并联电路,由示波器显示它们的时间差,速度=长度差/时间差。对于二个回路,示波器可显示2条正弦波、2条锯齿波、2条方形波、2条三角波等等,很明显,二个回路的2条正弦波能基本重合(表示时间差小于5纳秒),而2条方形波离得比较开(时间差大),这是因为方形波含有高频成分,波速较慢。演示中,用等长的铜导线替换铁丝,波形基本不变。

我也作了如下的演示:用二个1.5米的双线,一个是平行双线,另外一个是示波器原配的同轴电缆线。二者的时间差是大约10纳秒。原因是同轴电缆线具有大约8 pF 的分布电容,造成了时间延迟。实验明确地显示出:在导线内的电的速度与电路以及导线的具体结构有关,随着电路的参数而变化。如果需要测量同一种平行双线的电的速度,就要采用一长、一短同一种平行双线的并联电路。

实验表明:电的传播速度不等于真空光速! 百度的条目以及大学教科书是一种误导。欢迎网友进行实验检验,共同纠正这个百年误导!

 

 

 



转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自张操科学网博客。
链接地址:http://blog.sciencenet.cn/blog-271800-1125791.html 

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回复 | 赞 [5]沈建其   2018-7-28 10:37

我们强调,电的速度是指电场的速度,通俗地说,是代表电压的速度,电信号的速度,或者电能的速度。从2013年开始,本人与复旦大学的一位研究生等合作者共同进行了这方面的实验。对低频交流电路,经过不同材质、不同长度,不同结构等等上百次的实验,我们发现,低频交流电的速度会随着电路的参数而变化;在大多数的情况下,电信号速度小于光速,但在特定条件下(频率低于2MHz、采用几米长的单导线)交流电的速度可以超光速。
============

SHEN RE:
这个也是我一直感到纳闷的、颇为疑惑的地方。如果导线超光速真的存在,它应该相当稳定、普遍,现在为什么需要在特定条件下才存在(导线长度、分布)?应该说,导线中的电能速度,应当算是一个局域量,不会与导线长度等宏观量有关。但是,目前看起来,与导线长度等宏观量有关,那么是否说明这与导线之间串扰、反射波相移有关?由此,这个速度公式(L1-L2)/(T1-T2)=V就不一定成立,或者说,计算得到的是错觉

张操 回复 沈建其  你不要把问题复杂化。请你明确地回答:在金属导线中低频交流电有速度吗?百度的答案正确吗?

2018-7-28 14:461 楼(回复楼主) 赞 |回复

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回复 | 赞 [4]沈建其   2018-7-28 10:29

"实验明确地显示出:在导线内的电的速度与电路以及导线的具体结构有关,随着电路的参数而变化。如果需要测量同一种平行双线的电的速度,就要采用一长、一短同一种平行双线的并联电路。"
===========

SHEN RE:
这是否说明存在我以前说的两根导线之间有串扰?这种串扰,导致速度定义有问题。
我是一直怀疑这个公式(L1-L2)/(T1-T2)=V不对,即如涉及反射、串扰等因素,那么(L1-L2)/(T1-T2)=V这个公式肯那个就不再成立。例如:小张与小王同时跑步。小张跑了50米,花了19.999秒,小王跑了100米,花了20秒刚好。看出,小王比小张多跑了0.001秒,多跑了50米,于是小王速度为50/0.001=50000/秒。这个算法就有问题。

http://bbs.sciencenet.cn/uc_server/data/avatar/001/88/22/89_avatar_small.jpg?v=

回复 | 赞 [3]沈建其   2018-7-28 10:05

"对于最简单的直流电路里电能的传输,普通大众都相信电能是由导线输送的;但大学教科书却说:电能先从电源向空间发射出去,再从电路外进入电阻等用电器。这是否将简单问题复杂化了呢?"
============
shen re:
教材本身没有错。说普通大众都相信电能是由导线输送的,这是针对Poynting定理方程的右边J.E这一项而言的。说电能先从电源向空间发射出去,再从电路外进入电阻等用电器,是针对场的观点而言的,也即“Poynting定理方程的左边而言。后者是原因,前者是结果。

实际上,声波管也是这样的,声波也有自己的Poynting定理方程。当然,声波不可能在真空中传播,但是它在管子内部,也是出现类似现象,不断有声波本身的能量、动量输运给内部的耗声器。这种语言,都是因为使用了场(波)的能量-动量张量所致。从Maxwell方程、从声波方程,我们可以得到光波和声波的能量-动量张量。正是能量-动量张量,导致以上观点。不要说场(波)的能量-动量张量了,即使普通的流体(空气流、水流),也有能量-动量张量。能量-动量张量,包括能量密度、动量密度、能流密度、动量流密度。在有些场合下,可以简化为能量密度、动量密度(因为能流密度、动量流密度,可以用能量密度、动量密度表达出来),你可以不去考虑能流密度、动量流密度。但是在其它复杂的场合,能流密度、动量流密度无法使用能量密度、动量密度表达出来,如果不考虑能流密度、动量流密度,就不完整了。

张操 回复 沈建其  你的理论物理基础很好。可是我不得不说,在电路方面,从实验到理论,你都是外行。

2018-7-28 15:041 楼(回复楼主) 赞 |回复

http://bbs.sciencenet.cn/uc_server/data/avatar/001/35/75/53_avatar_small.jpg?v=

回复 | 赞 [2]谭铎平   2018-7-26 13:02

电子移动形成了电流,但电流速度却非电子运动速度。电流速度很可能是电子间的传导速度。因为在导体內,自由电子间的斥力惊人强大(按库仑定律,以电子电量、距离能计算出导体电子间的强大斥力),导体內电子间有强烈的相互影响,当一个电子受力时,导体所有电子会连锁反应,电子受力信号迅速传导开了。这有点近似于声波传导:声源受力信号迅速在空气中传导。 )
      
很早就关注张教授的研究了,希望教授的电流速度研究有更大突破。

张操 回复 谭铎平  谢谢你的关注。你的关于电流速度的解释是一种新理论。

2018-7-26 14:181 楼(回复楼主) 赞 |回复

http://bbs.sciencenet.cn/uc_server/data/avatar/000/78/76/28_avatar_small.jpg?v=

回复 | 赞 1[1]廖康佳   2018-7-26 08:13

最近在看一本书,叫乌合之众,人们很多时候的想法和决定都不代表他自己的决定,而是群体的想法和决定。一颗很亮的灯泡放在面前,只要群体认为它不亮,群体里的每个成员还真的会以为它不亮。人类都有思维惰性,在遇到不是很确定的事情时,他们不想浪费脑力去独立思考,而选择采纳他所处的群体的观点,因为这样很有可能是对的。然而,也有少数情况,群体的观点是错的,这群不想浪费脑力去独立思考的人自然坚信不疑,这时他们就是一群乌合之众,人云亦云。细思之,这是一个很亮的灯泡被一群乌合之众耽误的故事。

张操 回复 廖康佳  非常有趣的故事  http://blog.sciencenet.cn/static/image/smiley/comcom/2.gif

2018-7-26 09:181 楼(回复楼主) 赞 |回复

 

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