既然电子不可能达到光速,那为何电流却能以光速传播?

在日常生活中,我们可以明显地感觉到电的传播速度非常快,一个最常见的例子就是,当我们在使用电灯时,电灯泡总是会在我们按下开关的一瞬间就亮起,以至于我们根本就感觉不到任何延迟。

既然电子不可能达到光速,那为何电流却能以光速传播?插图

假如你对电流的传播速度产生过好奇并进行了相关查询,那么不出意外的话,你得到的答案就是——光速

物理老师告诉我们,导体中的电流其实就是大量的自由电子做有规则的定向运动所形成的,而根据相对论,任何具有静止质量的物体的速度都不可能达到光速,由于电子是具有静止质量的,因此电子的速度也不可能达到光速

这就很容易令人产生疑惑:既然电子不可能达到光速,那为何电子形成的电流却能以光速传播呢?为了说明这个问题,我们不妨来看图说话。

既然电子不可能达到光速,那为何电流却能以光速传播?插图2

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。

既然电子不可能达到光速,那为何电流却能以光速传播?插图4

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?

既然电子不可能达到光速,那为何电流却能以光速传播?插图6

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。

既然电子不可能达到光速,那为何电流却能以光速传播?插图8

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。看到这里,相信大家会比较好奇,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。

既然电子不可能达到光速,那为何电流却能以光速传播?插图10

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。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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