在日常生活中,如果我们徒手去触碰通电的电线,那么则会导致触电。
触电会给人体带来电击伤,严重时会导致体内脏器受损,甚至是猝死,所以一定要注意用电安全,特别是对于电学并不了解的人,千万不要试图亲自维修家用电路。说到触电,这里有一个有趣的问题,我们都知道电流的传输是需要时间的,那么如果我们有一根很长的导线,比如长度为1000万公里的超长导线,我们手握导线的一端,让人将另一端的电源打开,然后在电流到达之前就将电源关闭,还会发生触电吗?如果你具备一定的电学知识,那么应该看得出来这个问题其实问得很不专业,因为这里只给了一个导线的长度,对于导线的材质、横截面积等都没有交代。
的确,这是一个不太专业的问题,但其实也没有必要过于纠结,因为对于1000万公里的长度而言,导线的材质其实也并不那么重要了,除非它是一个超导材料。
所谓的电线就是一种导体,它的作用就是负责承载电流的传输,而能够用于制作电线的导体材料很多,但不管是什么材料,它都存在着一个电阻率。当我们接通电流之后,电并不会毫无损耗地从一端到另一端,有一部分电能会在传输的过程中转化为热能,而具体转化了多少就与导体材料的电阻率密切相关了。需要注意的是电阻率与电阻不是一回事,电阻率是用来描述物质电阻特性的物理量,一根导线的电阻除了与电阻率相关以外,还与它的长度和横截面积有关。
在其它条件相同的情况下,导线的长度越长,导线的电阻就越大,电流在导线中传输所发生的耗损就越大。
举个例子,铜是一种电阻率很小的导体材料,它的电阻率为0.01851Ω.mm²/m。电阻率等于物体的电阻乘以电线的横截面积再除以电线的长度,由这个公式可知,除非这根导线的横截面积大得离谱,否则在1000万公里的长度上,即便是铜制导线,整根导线的电阻也会大得惊人,所以最终到达末端的电量会消耗殆尽,不管关不关闭电源,导线另一头的人都是不会触电的。
既然是一个有趣的脑洞问题,我们就不要纠结那么多了,我们就假设这根长1000万公里的导线是一根超导体吧。
所谓超导体就是电阻率为0的导体,电流在这样的导体中传输不会发生任何的损耗,那么超导体真实存在吗?目前世界上很多国家都在进行关于超导体的研究,理论上通常认为是有超导体存在的,只可惜至今还没有任何一个国家真正找到电阻率为0的超导体。现在还是让我们回到这个有趣的脑洞问题上来,既然现在电流传输损耗的问题解决了,我们就要看看电流需要多久从一端传输到另一端了。关于电流的传输,如果你不懂电学可能会产生一些误解,误以为电流是从电源出发通过整根导线才跑到另一端的,但实际上并不是这样。
事实上电子是无处不在的,也就是说电子原本就存在于导线中的各个部位,只是在没有接通电源的时候,这些电子的移动速度是非常缓慢的,大约只有每秒0.75毫米。
当电源接通之后,会迅速形成一个闭合电路,此时在导体的两端会形成电场,于是导体内的每一个电子都开始运动起来,后面的电子推动前面的电子,像排队一样不断推动前面的电子产生定向运动,于是电流就出现了。理论上电流在导线中的传播速度与光速是相同的,也就是每秒299792458米。对于一根10000千米的导线而言,电流传输所需的时间就约为33.3秒。
既然在这样一根超长的导线之中电流需要33.3秒才能传输到另一端,那么我们就有充足的时间在电流到达之前关闭电源了,那么如果我们在接通电源之后10秒就把电源关闭,另一端的人还会触电吗?答案是肯定的。
电源关闭之后,电流的传导并不会因此就停止,所以不管是不是在接通电源后10秒将电源关闭,另一端的人都会在电流接通后的第33.3秒发生触电。也就是说只要电线、人体和地球之间形成了一个闭合电路,那么无论通电的时间是多久,哪怕只有0.1秒,另一端的人都是会发生触电的。