假如有1千万千米的电线,通电后立即断开,另一端的人会触电吗?

飞飞舞舞 2022-10-25 19:03:43

这是个很有意思的问题。1000万千米的长度可不短,地球和月亮的距离也只有38万公里,宇宙中运行速度最快的光线,一秒钟也只能走30万公里。当然我们不能在现实中做出这样的实验,既然问题非常“脑洞大开”,我们不妨推测推测。

要解答这个问题,我们还得明确一下相关的假设条件。电线肯定是一种导体,能够承载着电流的传输,这一点是毋庸置疑的,不过,在现实世界中,任何导体都是带有电阻的,通上电流以后势必会产生能量的转化,即将一部分电能转化为热能,从而耗费一定量的电能,所耗费的电能大小,与导体材料的电阻率、导体整体电阻值、通电时长、电压和电流强度等等都有关系。

也就是说,电流在导体中流动,实际上会不可避免地产生电能损耗的情况,只有不断地提升电压或者减少导体的电阻值,才能有效减少这种传输中的损耗,这就是为什么在长途输电时,要选择高压输送以及持续攻关超导体电线材料的原因。

所以,在问题中,应用什么样的电线很关键。如果是理想状态下的完全超导体,即电阻值为零的导体,那么理论上就不存在电能损耗的情况。

电流的定义是电荷在导体内的定向移动,从这个定义我们可以看出,电流的产生,必须依赖几个关键条件,一个是有电荷,第二个是电荷必须能够移动,第三个是必须有电流能够传输的载体。

电荷这个条件很好理解,任何物质都是由原子构成的,而原子结构中势必都有电子的存在,电子带负电,除电子之外,单个的原子核或者某些离子,都有可能形成带正电荷的“团体”。而第三个条件电流流动的载体,则只要是导体或者半导体都可以实现,比如金属、电解质溶液,甚至电离的气体等都可以。而第二个条件的满足,则必须要形成稳定持续的电场。

导体在没有接通电源之前,导体内的电子、正离子等都处于静止的平衡状态,并不能形成电流。当导体形成闭合电路并且接通电源后,那么就会形成电势差,推动导体中的电子、正离子等,像排队一样,后面的电子将能量传递到前面一个电子,推动着后面的电子产生定向的运动。

虽然超导体的电阻为零,但是在理论情况下,也并不是所有施加带有电势差的电源,都能在电路中形成稳定的电流。比如,在直流与低频电路里,如果电路是非闭合的,则不能形成电流。在1000万千米的电线另一端,即使摸上电线,也不能与地球形成闭合电路,所以如果是直流或者低频电路,则在电线中不能形成电流,人也不会触电。如果还是非闭合电路,那么在不断提高电路频率时,那么电流将会以波的形式向四外传播,而不是通过电线进行传导,比如高频天线就是这个原理。

以上是电线为超导体的假设情况,实际上在常温下,即使是接近绝对零度的宇宙空间中,电线都是拥有相应的电阻率的,其公式为ρ=RS/L,其中R为电阻、S为电线的横截面、L为电线的长度。电阻率反映着电线导电性能的标量,而电阻反映的是物体对电流阻碍强度的标量。当电流通过电线以后,由于电阻的存在,会形成电压降,在横截面积一定的情况下,电线长度越长,那么电阻值就越大,在末端形成的电压降就越大,从而电线中的电流就越小。

因此,即便采用上百万伏特的超高压输电模式,在通过1000万千米的电线之后(也即便采用电阻很小的导体材料),到达另一端的电压降也会将之前的“超高压”消耗殆尽,这个时候摸上电线也不会触电。

由于电流在导线中的传输速度,与光的传播速度每秒30万公里相同,所以,如果这个电线和人体、地球之间形成闭合电路,电线的材料用超导体,那么无论通电时间是1秒、还是3秒、30秒,在电源闭合以后的33.33秒时,人体就会触电。但实际情况是,在那么远的距离上,根本无法形成闭合电路,我们至今也没有找到电阻为零的超导体,所以无论通电时间有多长,在1000万千米的另一端,人们摸上电线的另一头,压根就不会触电。

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