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電源接通后會瞬間有電,那電的傳播速度和光速一樣嗎?

電的速度取決于我們對“電”這個詞的理解。這個詞很普遍,基本上是指“所有與電荷有關(guān)的現(xiàn)象”。假設(shè)我們指的是穿過金屬導(dǎo)線的電流,如電流通過臺燈的電源線。在電流通過金屬導(dǎo)線的情況下,有三種不同的速度,它們都各自具有其物理意義:

單個電子的速度電子的漂移速度信號的速度

單個電子的速度

為了理解每一種速度,以及它們?yōu)槭裁锤鞑幌嗤珔s在物理上有意義,我們需要了解電流的基本知識。金屬導(dǎo)線中的電流是由移動的自由電子形成的。在金屬導(dǎo)線沒有通電的情況下,自由電子可以被認(rèn)為是組成金屬導(dǎo)線的固定原子網(wǎng)格中跳動的小球。電子是真正的量子實體,但在今天的解釋中不需要更精確的量子圖景。(如果加上量子效應(yīng),單個電子的速度就變成了“費米速度”。)

非自由電子,或者價電子,被原子束縛得太緊,不能形成電流,所以在這個問題的討論中可以忽略不計。金屬導(dǎo)線中的每個自由電子都在自身的動量作用下不斷地沿直線飛行,并與原子碰撞,由于碰撞而改變方向,然后繼續(xù)沿直線飛行,直到下一次碰撞。在金屬導(dǎo)線中,其內(nèi)部的自由電子會不斷地飛來飛去,并以隨機(jī)的方式與原子碰撞。宏觀上,我們稱小顆粒的隨機(jī)運動為“熱能”。單個電子的實際速度是電子在兩次碰撞之間沿直線運動時每秒移動的納米量。一根導(dǎo)線本身不攜帶電信號,所以隨機(jī)運動的單個電子速度只是描述了導(dǎo)線中的熱量,而不是電流。

電子的飄逸速度

現(xiàn)在,如果把導(dǎo)線連接到電池上,給導(dǎo)線施加了一個外電場。導(dǎo)線中的自由電子感受到來自電場的力,并向電場的方向加速(實際上是相反的方向,因為電子帶負(fù)電荷)。電子繼續(xù)與原子碰撞,導(dǎo)致它們向不同的方向反彈。但是在這個隨機(jī)熱運動的基礎(chǔ)上,電子現(xiàn)在有了一個與電場方向相反的凈有序運動。導(dǎo)線中的電流由電子運動的有序部分組成,而運動的隨機(jī)部分仍然構(gòu)成了導(dǎo)線中的熱能。因此,施加的電場(如連接電池)會使電流沿導(dǎo)線流動。電子沿導(dǎo)線移動的平均速度就是我們所說的“漂移速度”。

盡管電子以漂移速度沿導(dǎo)線向下漂移,這并不意味著電子運動的影響以這個速度傳播。電子并不是真正的實心小球。它們之間的相互作用不是通過彼此碰撞來實現(xiàn)的。相反,電子通過電磁場相互作用。兩個電子靠得越近,它們通過電磁場相互排斥的能力就越強(qiáng)。

信息速度

當(dāng)一個電子移動時,它的場也隨之移動,這樣在物理上到達(dá)與下一個電子相同的空間位置之前,這個電子就可以把另一個電子沿著導(dǎo)線推得更遠(yuǎn)。因此,電磁效應(yīng)沿金屬導(dǎo)線傳播的速度比任何單個電子都要快得多。這種“效應(yīng)”是電磁場的波動,因為它耦合電子并沿導(dǎo)線傳播。由于能量和信息是由電磁場中的波動攜帶的,所以能量和信息沿電線傳播的速度也比任何單個電子快得多。

電磁效應(yīng)沿導(dǎo)線傳播的速度稱為“信號速度”、“波速”或“群速度”。如果信號速度描述的是純粹的電磁波效應(yīng),那么信號將以光速傳播,但事實并非如此。相反,沿著電纜傳播的信號涉及電磁場波動(波)和電子的相互作用。因此,信號速度比電子漂移速度快得多,但比真空中的光速慢得多。一般來說,在真空中信號速度接近光速。

總結(jié):電的速度沒有光速快

下面我們舉個例子。人們排著長隊等著進(jìn)入一家餐館,每個人都緊張地在他們排隊的地方坐立不安。排在隊伍末尾的人不耐煩了,就把前面的人推了一下。當(dāng)隊伍中的每個人都被身后的人推了一把時,他就會順勢把前面的人也推一把。因此,壓力會從一個人傳遞到另一個人,通過這條線向前傳遞。但在最后一個排隊的人到達(dá)餐廳門口之前,推擠得力早就到達(dá)了餐廳門口。在這個類比中,人代表電子,他們的手臂代表電磁場,而推力代表電磁場中的波動或波。每個人的速度代表了單個的電子速度,每個人通過這條線的速度代表了電子漂移速度,而推動通過這條線的速度代表了信號速度。根據(jù)這個簡單的類比,我們說信號的速度非??欤瑐€體的速度稍快,漂移速度較慢。

金屬導(dǎo)線中單個電子的速度通常是每小時幾百萬公里。相比之下,漂移速度通常只有幾米每小時,而信號速度是一億到一萬億公里每小時。一般情況下,信號速度與真空中的光速比較接近,單個電子速度比信號速度慢100倍左右,電子漂移速度慢如蝸牛。

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