wq2zz2的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/wq2zz2

博文

电的传播速度是光速 vs 电子在导线中的流动速度是蜗速

已有 1817 次阅读 2022-7-20 17:48 |系统分类:科普集锦

灯泡点亮那一刻,钨丝中的电子是从三峡大坝过来的吗?

 很多人觉得电子在导线中的流动速度非常快,因为生活经验中,在按下灯泡开关的那一刻,灯泡就亮起来了,可以说不存在任何延迟。北京与上海通电话,只要电路一通,双方马上就能听到声音。因此,让我们产生了一种错觉,感觉电的传播速度几乎是无限大的。(其最大值为光速,每秒种传播速度接近30万公里。)考虑地球的周长约为4万公里,那么,在地球表面从任意A地到B地,电子的传播可以瞬间完成。

但实际上,平常所说“电的传播速度是光速”,这里指的是电场的传播速度,不是导线中电子的流动速度。

电的传播速度是299792458 m/s ,光速是c0=299792458m/s,所以真空中,光速与电的传播速度是一样的。

在了解电子的速度之前,我们先区分一个概念。

电流和电子

之所以我们平时会产生电子移动速度无穷大的印象正是因为我们将电流和电子混淆了。

什么是电流?电流是电子定向移动而产生的。我们可以这样理解,电子是因,电流是果。电流的产生原因是因为电源产生了电场,在电场的作用下电子会从电势高的地方流向电势低的地方,因此产生了电流,电场的传播速度是光速,因此电流传播的速度也是光速。这就是为什么当我们按下开关的那一刻,灯泡立马就亮了。

 

电子在没有通电的导体中可以随意流动,导体就好像是电子的一片海洋,由于运动是杂乱无章的,各个方向上都会存在着运动,因此会相互抵消,在宏观上表现为没有电流。

image.png

当加上电场时,电子在电场的作用力下定向移动。

 这就和水流一样,当我们按下开关的那一刻,最先和灯泡作用的是电路中离灯泡最近的电子,在那一瞬间与灯丝作用,从而产生光亮。而不是电子在那一瞬间从三峡大坝跑到灯泡。

 电子定向流动是瞬间的,也就是电流的产生是瞬间的,但对于其中单独的某个电子来说,那是一个非常缓慢的过程,电流只是我们看到的一个宏观现象。电子的运动是微观现象。

 既然电子的流动是因为电场的产生,因此它的移动速度自然会与电场的强度有关,不仅如此,还与很多因素,例如导线材料,导线粗细有关。

那么以家庭中的电流为例,电子移动速度到底多大?我们可以做一个计算。

从开关到灯泡,电子需要流动多长时间

假设我们使用的电压是直流的220 V,我们使用的灯泡是200 W,电线是纯铜的,并且横截面积是4 mm^2,那么他的电子流动速度可以通过下面这个公式进行计算

ν=I/(eNs)其中I表示电流,e表示电子数,N表示单位体积电子数,s表示导线面积。

通过带入这个公式的计算,得出的结果是ν=1×10^-5 m/s

这个速度那是绝对的比蜗牛慢得多,蜗牛平均速度为8.5 m/h,也就是2.3 mm/s,而电子在导线中的运动速度为0.01 mm/s

所以,事实上电子在电线上的流动速度非常慢,甚至比蜗牛还要慢的多。

image.png

主要参考链接:

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1663137528739282309&wfr=spider&for=pc

 




https://blog.sciencenet.cn/blog-504669-1348137.html

上一篇:交流电之父是谁 法拉第和特斯拉
下一篇:质量守恒定律 自然界的基本定律之一 【配精美图片】
收藏 IP: 223.80.240.*| 热度|

4 张学文 高宏 檀成龙 晏成和

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (2 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2022-10-5 03:46

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部