用单位公斤来描述电,貌似不可以。公斤即千克,是质量单位。而电是能量,单位是焦耳。不过仔细一想,物体带电,电也是物体的一部分。物质是由原子构成的,而原子是由质子、电子和中子构成的,这些粒子有的带电,有的不带电,比如电子就带一个单位的负电荷。可见,电并不是虚无缥缈的,那么用公斤来描述电也未尝不可。
我们通常以金属作为导体,而在金属导体中承载自由电荷的是电子。一公斤电,就当做一公斤电子吧。电子的质量非常小,一个静止电子的质量大约为9.1×10^-31千克,那么一公斤的电子大约包含1.1x10^30个电子。
知道了电子的数量,就可以确定电量的大小。一个电子携带了1.6×10^-19库仑的电量,那么一公斤的电子总共携带了1.76x10^11库仑的电量。库仑是物理学中的电量单位,1库伦就是1安培稳恒电流在1秒内通过导线横截面的电量,即1库伦等于1安秒。
当导体中存在电压(电势差),导体内的自由电荷在电压的作用下才会发生定向移动,形成电流。电流做功,电能便转化成为其他形式的能量了。电功的计算公式为W=UIt。若此时导体内的电压为一伏特,那么这些电荷在一秒钟内做功产生的总能量为1.76x10^11焦耳。
生活中通常用度来衡量用电量(所谓的用电量,就是电流做的功),一度电等于1000瓦时,就是1千瓦功率的电器一个小时所消耗的电量。1000瓦时又等于360万焦耳。这样一换算,一公斤的电子所形成的电流,在电压为一伏特时做功产生的能量大约相当于4.9万度用电量。
现在全球大约有78亿人,全球总用电量已经达到了25万亿度。4.9万度电与之相比,就是小巫见大巫,两者相差了5亿倍。这点电量给全世界的人用,连一秒都坚持不住。
当然,还有一种理解方式,就是根据质能关系,直接将质量换算成为能量。根据爱因斯坦的质能方程E=mc^2,一公斤的物质大约蕴含了9x10^16焦耳的能量。那么一公斤的物质百分百转化为能量,就能够产生250亿度电能。不算损耗,250亿度电大约可以供全世界的人用8.76小时。要想使全世界人民用一年,则需要一吨左右的物质。而要想达到100%的能量转化率,需要正负物质湮灭才行。
不过这里需要注意,我们所说的质量转化为能量,只是物质从一种形式转变成了另一种形式,比如正负电子湮灭,电子最终完全转化成了光子。在这个转变过程中,总的质量和能量是守恒的。而质量和能量是等价的,代表着同一种东西的不同两个面,因此统称为质能守恒。
但这儿只用考虑质量,不管是电子也好,还是其他别的粒子也好,只要质量相等,都蕴含着相等的能量,跟带不带电荷没关系,这也就失去了讨论意义。可见,还是刚开始的那种理解方式比较靠谱。
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