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千万粉丝科普up主翻车一个小灯泡引发大论战

  假设存在一个巨型电路,其中一个电源、一个开关、一个理想灯泡(一有电流就能亮的那种),通过2根30万公里长的导线连接,灯泡和开关之间仅相隔1m的距离,就像这样:

  在YouTube上拥有千万级粉丝的科普大佬“真理元素”(Veritasium)给出的答案是:D。

  这不,这个答案加上题目“有关电学的一个巨大误解”,那可真是一石激起千层浪,不仅另一位电子工程师大佬——伊朗唐马儒ElectroBOOM下场一通狂锤:

  大佬们究竟产生了怎样的分歧?又是如何联手贡献了一场物理科普盛宴,让全球数百万网友嗨到飞起?

  因为电场的传播并不沿着导线万公里长的电路中,灯泡多长时间会被点亮,涉及的是电磁场能量如何传递的问题。

  大家都知道,电荷周围会形成电场,比如一个电池,在它的外部,电场就从正电荷所在的正极指向负电荷所在的负极。

  电流周围则会产生磁场,其方向通过右手定则得出:大拇指指向电流方向,剩余四指的方向就是磁场方向。

  灯泡和电源只距离1米远,电源向四周散发的电磁波能直接“辐射”到电灯泡,那么只需用距离除以光速(即1/c)就能得出灯泡被亮点所需的时间。

  连“伊朗唐马儒”ElectroBOOM、EEVBlog、李永乐老师等一众大V都被吸引而来,一时各路科普视频齐发,让人目不暇接。

  灯泡即使线/c时间直接接收到电源产生的电磁场,但那点能量根本远远不够点亮灯泡啊——虽然一开始就假设这是个理想灯泡,但它也太理想了。

  “伊朗唐马儒”ElectroBOOM则直接“嘲讽”:有点电流就能亮?如果这样的话那它永远也不会灭。

  问题2:通电瞬间,灯泡处的坡印廷矢量怎么算?此时它附近的导线内电场还没有形成呢。

  第一,该结论忽略了导线。导线是电磁波的波导,它可以让往电源往四周散发的电磁波具有方向性。意思电源的电磁波还是需要通过导线引导来传输。

  而只有离导线非常近的地方才会有电磁波,1米的距离显然已经检测不到什么电磁波了,根本没法点亮灯泡。

  关于这点,ElectroBOOM也抓狂地亮出数据:离导线cm的磁场,磁感应强度可只有1毫米处的1%!

  第三,暂态电流导致电荷重新分布,然后才产生稳定的电流和电磁场;在这之后,电源的能量才真正到达灯泡。

  材料学博士Brian Haidet购买了1000米长的电线,按照真理元素视频所述,布置了如下实验场景:

  值得一提的是,因为真理元素视频中提到的“一有电流通过就会亮”的理想灯泡现实中并不存在,在用电器一端,Haidet安装的其实是电阻器,并接入了一台示波器来捕捉电流。

  另外在开关的设置上,为了尽可能避免干扰,Haidet选择的是电子开关而非机械开关。

  不过,也可以明显地看到,在开关闭合之后,灯泡两侧确实立即产生了感应电动势。经过计算,由此产生的电流(0.2μA)和稳态电流(1.7mA)之间存在数量级的差异。

  这是因为开关闭合瞬间,开关处产生了一个变化的电场,变化的电场会向外辐射电磁波,当平行的另一侧导线捕捉到这种变化,就会产生感应电动势。

  在非常奇怪的“理想灯泡”前提下,又拿1/c时的极其微弱的电磁场能量来点亮灯泡,容易产生误解。

  最后,提一个小小的巧合:2016年就已经有网友在知乎上提出了类似问题——

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