用單位公斤來描述電,貌似不可以。公斤即千克,是質量單位。而電是能量,單位是焦耳。不過仔細一想,物體帶電,電也是物體的一部分。物質是由原子構成的,而原子是由質子、電子和中子構成的,這些粒子有的帶電,有的不帶電,比如電子就帶一個單位的負電荷。可見,電并不是虛無缥缈的,那麼用公斤來描述電也未嘗不可。
我們通常以金屬作為導體,而在金屬導體中承載自由電荷的是電子。一公斤電,就當做一公斤電子吧。電子的質量非常小,一個靜止電子的質量大約為9.1×10^-31千克,那麼一公斤的電子大約包含1.1x10^30個電子。
知道了電子的數量,就可以确定電量的大小。一個電子攜帶了1.6×10^-19庫侖的電量,那麼一公斤的電子總共攜帶了1.76x10^11庫侖的電量。庫侖是物理學中的電量單位,1庫倫就是1安培穩恒電流在1秒内通過導線橫截面的電量,即1庫倫等于1安秒。
當導體中存在電壓(電勢差),導體内的自由電荷在電壓的作用下才會發生定向移動,形成電流。電流做功,電能便轉化成為其他形式的能量了。電功的計算公式為W=UIt。若此時導體内的電壓為一伏特,那麼這些電荷在一秒鐘内做功産生的總能量為1.76x10^11焦耳。
生活中通常用度來衡量用電量(所謂的用電量,就是電流做的功),一度電等于1000瓦時,就是1千瓦功率的電器一個小時所消耗的電量。1000瓦時又等于360萬焦耳。這樣一換算,一公斤的電子所形成的電流,在電壓為一伏特時做功産生的能量大約相當于4.9萬度用電量。
現在全球大約有78億人,全球總用電量已經達到了25萬億度。4.9萬度電與之相比,就是小巫見大巫,兩者相差了5億倍。這點電量給全世界的人用,連一秒都堅持不住。
當然,還有一種理解方式,就是根據質能關系,直接将質量換算成為能量。根據愛因斯坦的質能方程E=mc^2,一公斤的物質大約蘊含了9x10^16焦耳的能量。那麼一公斤的物質百分百轉化為能量,就能夠産生250億度電能。不算損耗,250億度電大約可以供全世界的人用8.76小時。要想使全世界人民用一年,則需要一噸左右的物質。而要想達到100%的能量轉化率,需要正負物質湮滅才行。
不過這裡需要注意,我們所說的質量轉化為能量,隻是物質從一種形式轉變成了另一種形式,比如正負電子湮滅,電子最終完全轉化成了光子。在這個轉變過程中,總的質量和能量是守恒的。而質量和能量是等價的,代表着同一種東西的不同兩個面,因此統稱為質能守恒。
但這兒隻用考慮質量,不管是電子也好,還是其他别的粒子也好,隻要質量相等,都蘊含着相等的能量,跟帶不帶電荷沒關系,這也就失去了讨論意義。可見,還是剛開始的那種理解方式比較靠譜。
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