既然电子不可能达到光速,那为什么电子形成的电流却能以光速传播?

为了说明这个问题,我们不妨来看图说话。



上图是一个非常简单的电路图,由电源、开关、灯泡以及连接它们的导线构成,只要我们操作开关使这个电路处于闭合状态,灯泡就会亮起。

有一种常见的错误观点认为,在这个电路中的开关闭合时,电源就会发送大量的电子出来,而当这些电子沿着导线抵达灯泡时,灯泡才会亮起。为什么说这种观点是错误的呢?因为实际情况其实是下图这个样子的。



如上图所示,在开关断开的状态下,电路中其实充满了自由电子,而在开关闭合的状态下,整个电路中的自由电子则会一起运动,在这个过程中,电源的负极会源源不断地发送出电子,与此同时,电源的正极又会持续“回收”电路中的电子,而在开关闭合的瞬间,使灯泡亮起的其实是它附近的电子,而从电源发送出来的电子在此时并没有抵达灯泡

由此可见,电流的传播速度并不是电路中的自由电子的运动速度,那会是什么呢?



想象一个场景,在我们在上体育课时,当我们听到体育老师发出“齐步走”的口令时,就会前进,而当我们听到体育老师发出“立定”的口令时,则会停止。与之类似的是,其实电路中的电子也是在遵从一个“口令”的指挥,而电流的传播速度,其实就是这个“口令”的传播速度。

实际上,电路中的“口令”其实就是电场,尽管电场并不像通常的物质那样由分子、原子等微观粒子组成,但电场却是客观存在的,因为电场具备了通常物质所具备的能量和力等客观属性,当电荷被置入电场中时,电场就会对其产生一种被称为“电场力”的作用力,进而使电荷具备定向移动的趋势。



根据现代物理学的描述,电场的建立速度和传播速度都是光速,据此我们就可以得出,当电路中的开关闭合时,电源所建立的电场就会在电路中以光速传播,其所到之处,导线中的自由电子就会立刻开始定向移动,在这个过程中,电流的传播速度其实并不是电子的运动速度,而应该是电场的建立和传播速度,也就是光速

因此可以说,“电子的速度不可能达到光速”与“电流能以光速传播”并不冲突。那么在形成电流的时候,导体中的自由电子真正的运动速度有多快呢?我们接着看。



在形成电流的时候,导体中的自由电子其实有两种运动速度,一种是无规则的热运动速度,其速度的数量级一般在每秒10^3米至每秒10^5米之间,另一种则是自由电子在“电场力”作用下的定向运动速度,这被称为“飘移速度”,与热运动速度相比,电子的平均飘移速度可以说是异常缓慢,我们可以通过一个具体的例子来加以说明。

首先来简单复习一下物理知识:1安培的电流每秒输运的电量为1库仑,1库仑则与6.24 x 10^18个电子的电荷总量相当

好的,现在我们进入正题,已知铜原子的直径为2.55 x 10^(-10)米,所以对于一根直径为1毫米的铜导线来讲,其横截面大概就可以排下1.54 x 10^13个铜原子,我们假设每个铜原子都有一个电子能自由运动,那么1安培的电流每一秒让这些自由电子移动的平均距离,就相当于大约40.5万个铜原子直径,换算下来就是大约0.1毫米(0.000103275米)。

也就是说,当一根直径为1毫米的铜导线通过1安培的电流时,导线内自由电子的平均飘移速度大概只有每秒钟0.1毫米,毫不夸张地讲,蜗牛的速度都比这快得多。



当电路中的开关闭合时,电源所建立的电场就会在电路中以光速传播,其所到之处,导线中的自由电子就会立刻开始定向移动,在这个过程中,电流的传播速度其实并不是电子的运动速度,而应该是电场的建立和传播速度,也就是光速。 因此可以说,“电子的速度不可能达到光速”与“电流能以光速传播”并不冲突。

与其说电流的速度是光速,不如说电场的速度是光速。

电荷的定向移动形成电流。

因此在这里要区分两个概念,就是电荷的移动速度和电流的速度。

在这里可以打个比方,电流和水流在很多地方还是很相似的。比如我们在一个1米长的水管里装满水,这就类似导线中充满了自由电子,如果在水管一侧施加压力,让水向另一端移动1厘米,我们可以看到几乎瞬间,就有1厘米的水从水管另一端冒出来。在这个实验中可以清楚的看到,其实每个水分子(相当于电流中的电荷)可能只移动了1厘米,但是整个水流却是瞬间移动了1米(如果水管足够长,肯定能观察到水流的移动速度)。

同样对于电流也一样,电子(或者电荷)的定向移动速率不比你走路快,但是因为电场是以光速传播,因此能够在导线中瞬间建立电压,电荷就在电压的作用下做缓慢的定向移动,但是对于电流来看,是跟随电场的传播速率相同,也就是光速

因为电流的速度并不是自由电子的运动速度,而是电场的建立和传播的速度,跟电子无关,所以速度才能超越光。

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