既然電子不可能達到光速,那為何電子形成的電流卻能以光速傳播?

在日常生活中,我們可以明顯地感覺到電的傳播速度非常快,一個最常見的例子就是,當我們在使用電燈時,電燈泡總是會在我們按下開關的一瞬間就亮起,以至于我們根本就感覺不到任何延遲。

假如你對電流的傳播速度產生過好奇并進行了相關查詢,那麼不出意外的話,你得到的答案就是—— 光速

物理老師告訴我們,導體中的電流其實就是大量的自由電子做有規則的定向運動所形成的,而根據相對論,任何具有靜止質量的物體的速度都不可能達到光速, 由于電子是具有靜止質量的,因此電子的速度也不可能達到光速

這就很容易令人產生疑惑:既然電子不可能達到光速,那為何電子形成的電流卻能以光速傳播呢?為了說明這個問題,我們不妨來看圖說話。

上圖是一個非常簡單的電路圖,由電源、開關、燈泡以及連接它們的導線構成,只要我們操作開關使這個電路處于閉合狀態,燈泡就會亮起。

有一種常見的 錯誤觀點認為,在這個電路中的開關閉合時,電源就會發送大量的電子出來,而當這些電子沿著導線抵達燈泡時,燈泡才會亮起。為什麼說這種觀點是錯誤的呢?因為實際情況其實是下圖這個樣子的。

如上圖所示,在開關斷開的狀態下,電路中其實充滿了自由電子,而在開關閉合的狀態下,整個電路中的自由電子則會一起運動,在這個過程中,電源的負極會源源不斷地發送出電子,與此同時,電源的正極又會持續「回收」電路中的電子,而 在開關閉合的瞬間,使燈泡亮起的其實是它附近的電子,而從電源發送出來的電子在此時并沒有抵達燈泡

由此可見, 電流的傳播速度并不是電路中的自由電子的運動速度,那會是什麼呢?

想象一個場景,在我們在上體育課時,當我們聽到體育老師發出「齊步走」的口令時,就會前進,而當我們聽到體育老師發出「立定」的口令時,則會停止。與之類似的是,其實電路中的電子也是在遵從一個「口令」的指揮,而電流的傳播速度,其實就是這個「口令」的傳播速度。

實際上, 電路中的「口令」其實就是電場,盡管電場并不像通常的物質那樣由分子、原子等微觀粒子組成,但電場卻是客觀存在的,因為電場具備了通常物質所具備的能量和力等客觀屬性,當電荷被置入電場中時,電場就會對其產生一種被稱為「電場力」的作用力,進而使電荷具備定向移動的趨勢。

根據現代物理學的描述,電場的建立速度和傳播速度都是光速,據此我們就可以得出,當電路中的開關閉合時,電源所建立的電場就會在電路中以光速傳播,其所到之處,導線中的自由電子就會立刻開始定向移動,在這個過程中, 電流的傳播速度其實并不是電子的運動速度,而應該是電場的建立和傳播速度,也就是光速

因此可以說,「電子的速度不可能達到光速」與「電流能以光速傳播」并不沖突。看到這里,相信大家會比較好奇,在形成電流的時候,導體中的自由電子真正的運動速度有多快呢?我們接著看。

在形成電流的時候,導體中的自由電子其實有兩種運動速度,一種是無規則的熱運動速度,其速度的數量級一般在每秒10^3米至每秒10^5米之間,另一種則是自由電子在「電場力」作用下的定向運動速度,這被稱為「飄移速度」,與熱運動速度相比,電子的平均飄移速度可以說是異常緩慢,我們可以通過一個具體的例子來加以說明。

首先來簡單復習一下物理知識: 1安培的電流每秒輸運的電量為1庫侖,1庫侖則與6.24 x 10^18個電子的電荷總量相當

好的,現在我們進入正題,已知銅原子的直徑為2.55 x 10^(-10)米,所以對于一根直徑為1毫米的銅導線來講,其橫截面大概就可以排下1.54 x 10^13個銅原子,我們假設每個銅原子都有一個電子能自由運動,那麼1安培的電流每一秒讓這些自由電子移動的平均距離,就相當于大約40.5萬個銅原子直徑,換算下來就是大約0.1毫米(0.000103275米)。

也就是說, 當一根直徑為1毫米的銅導線通過1安培的電流時,導線內自由電子的平均飄移速度大概只有每秒鐘0.1毫米,毫不夸張地講,蝸牛的速度都比這快得多。

搶先看最新趣聞請贊下面專頁

用戶評論