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電流的傳遞時間為零,那麼電子的運動超光速了嗎?

電流的傳遞並非不需要時間,實際上,它的傳播速度就是光速。在生活中,我們感覺電流的傳播不需要時間按下開關的——瞬間,燈就亮了,這是因為電流傳遞的速度(光速)高達30萬千米/秒,家中導線的長度沒法讓人察覺出延遲。假如從地球控制遠在月球軌道上的電燈,延遲就會達到約1。3秒;如果電燈遠在火星,延遲更是會達到幾分鐘到二十幾分鍾。

不過,電流傳遞的速度並不是電子運動的速度。要弄清楚這個問題,我們應該先理解什麼是電流。高中物理對電流的定義是,電荷的定向流動就是電流。對於金屬導線來說,它的內部有帶正電的原子核,也有帶負電的電子,能自由運動的是其中一部分電子,稱為“自由電子”。人們在紙上所推算的電流,實際是金屬導線內自由電子的定向流動。

如果要更具體地理解電流的物理本質是什麼,就需要大學裡的電動力學、固體物理等知識了。電動力學告訴我們,無論是電還是磁相互作用,它們都是以電磁場的形式來傳播的,而這個傳播速度正是光速。那麼,當我們接通電路後,導體裡的自由電子就會以光速定向流動嗎?要注意,“電流的傳遞速度”和“電子定向移動的速度”,其實是兩個不同的概念。想象電池是一個遊樂園,外面有很多人在等待開門,他們隨意走動,相當於導體裡的自由電子。當遊樂園開門時,人群開始排隊向入園方向緩慢流動。雖然隊伍前進的速度很慢,但是有一個速度是很快的,那就是排在長長隊伍後面的人,也很快開始進入了隨著隊伍慢慢前進的狀態。這個“可以往前流動了”的訊號的傳播速度,就是電流建立時的傳播速度(光速)。而電子真正定向流動的速度很慢,可以慢到只有每秒零點幾毫米。

有意思的是,電子在定向流動的同時,依然在做著熱運動,其速度大小和方向都是隨機的。電子熱運動的速度大小,大概分佈在零到千分之幾光速的範圍。也就是說,即使在建立了電流的情況下,自由電子做隨機熱運動的速度通常也遠遠大於定向流動的速度。用人類的眼光看,微觀世界真是一個混亂的世界。電子的熱運動正是影響材料電阻的因素之一,降溫通常可以降低電阻。

電流的傳遞時間為零,那麼電子的運動超光速了嗎?

正文圖:源自網路。

封面圖:源自網路。

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