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导线中电流速度和电子的漂移速度

(2008-12-22 06:37:30)
标签:

自由电子

导线

导体

电场

传播速度

分类: 科技、军事(导弹)

 

    光的传播速度就是光子的移动速度,而电的传播速度是指电场的传播速度(也有人说是电信号的传播速度,其实是一样的),不是电子的移动速度。导线中的电子每秒能移动几米(宏观速度)就已经是很高的速度了。
    电场的传播速度非常快,在真空中,这个速度的大小约为接近于光速。“电”的传播过程大致是这样的:电路接通以前,金属导线中虽然各处都有自由电子,但导线内并无电场,整个导线处于静电平衡状态,自由电子只做无规则的热运动而没有定向运动,当然导线中也没有电流。当电路一接通,电场就会把场源变化的信息,以大约光速的速度传播出去,使电路各处的导线中迅速建立起电场,电场推动当地的自由电子做漂移运动,形成电流。那种认为开关接通后,自由电子从电源出发,以漂移速度定向运动,到达电灯之后,灯才能亮,完全是一种误解。

    电流的产生是由于场强的建立拉动电子形成,场强的建立是非常快的等于光速,所以电流也是光速。

本质上说,金属导体中的电流是由金属中的自由电子定向移动所产生的,电子定向移动的速度由以下的方法简单算出:

    设一段金属导体的横截面积为S,自由电子密度(单位体积内自由电子数目)为n,自由电子定向移动速率为v,那么在时间t内通过导体某一横截面积的自由电子数目就是nSvt,如果电子电量为e,那么在t时间内通过横截面积的电量q=nSvte.由电流强度的公式I=q/t可以得出:I=q/t=nSvte/t=nSve.即:自由电子移动的速度v=I/(neS).

    上面的计算可以得到,自由电子定向移动的速率和电流强度成正比,和金属导体的横截面积于导体的电子密度(由导体本身性质决定)的乘积成反比.也就是说,电流越大,自由电子的速度就越大.而横截面积越大,电子速度就越小.

    电流增加十倍,如果导体中电子数量是固定的,公式中N为常量这个说法是正确的,但是有时要考虑到其它因素,例如温度等造成的本征激发(半导体),n就会变化,电流与电子移动速度就不一定是倍速关系。

  

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