電流的傳輸速度真是光速嗎?你錯了

2020-12-20 老粥科普

電流的速度不是光速。

下面我們來說說為什麼。

通常對電流的定義:電流通常是指在電場或電勢的作用下,電子或其它電荷載體通過導體的有規則定向運動。

電子漂移速度極低。

我們通常在按下開關的瞬間就可以看到電燈被點亮,哪怕這個開關設在很遠的地方。於是我們覺得電流的速度很快,它等於光速。

實際上,點亮電燈的是電場或電磁波,真正電荷在電場作用下的移動速度很低。甚至可以說,當你按下開關後,開關裡的電子基本不會離開開關。

是不是大吃一驚?這怎麼可能?!

我們不妨來計算一下。

通常以下面的公式來計算恆定橫截面積材料中電荷載體漂移速度:

其中u是電子的漂移速度,j是流過該材料的電流密度,n是電荷載體數密度,q是電荷載體上的電荷。

假設我們在一根直徑為2毫米的銅導線上接通1安培的電流。

這根導線的橫截面積為(設為A):

一個電子所攜帶的電荷為(設為q):

已知銅的密度為8.94克/立方釐米,原子量為63.546克/摩爾,因此每立方米有1406850.5摩爾。

按照阿伏加德羅常數,在1 摩爾的任何元素中存在6.02 × 10^23個原子,因此在1立方米的銅中,約有8.5 × 10^28個原子:

又因為每個銅原子只有一個自由電子,所以n等於每立方米8.5 × 10^28個自由電子。

由此我們可以計算出電路中電荷載體的漂移速度:

因此,在一根直徑2毫米的銅導線上接通1安培的電流,電子會以23μm/ s的速率流動,也就是一小時移動幾個毫米的距離;如果這是60Hz的交流電,那麼在半個周期內電子漂移小於0.2μm,這意味著流過開關中接觸點的電子實際上永遠不會離開開關,它基本上就在幾微米的距離內來回晃蕩。

通常說的電流速度指的是電磁波能量穿過導體的速度。

理想狀態下,電磁波的速度等於光速,而在電介質中電磁波的計算公式是這樣的:

v指的是電磁波速度;c為光速;Er為材料的相對介電常數,在理想的導體中Er=1;μr指材料的相對磁導率,同樣在理想的電介質中 μr= 1。

由此可見,當導電材料非常理想化、無電阻的情況下,v=c,也就是說導線中的電磁波能量將以光速傳導

但事實上我們周圍所有的導電材料都存在電阻,即便是最新研發出來的超導體,它的電阻也只是接近於0而不能達到0,所以電磁波能量在電線中的傳輸速度也只能是接近光速而不能達到光速。

影響電磁波能量在導線中傳輸速度的因素有很多,其中最主要的是導線的電阻和導線的形狀

如果使用金、銀等電的良導體來傳輸電力,我們就可以得到更快的傳輸速率,而電路的阻抗越大,電磁波能量的傳輸速率就越低;

同樣的,科學家們發現,不同的電纜類型也是重要的速度因子。如果用梯形開放線來傳輸電磁波能量,我們可以得到95-99%的傳輸速率;

(業餘電臺自製的梯形開放線和天線)

而使用同軸電纜我們可以得到82-93%的傳輸速率;

(同軸電纜因為有電磁屏蔽層,可以提高信號傳輸速度)

使用雙屏蔽雙絞線絞合電路,電磁波能量的傳輸速率則下降到66%。

總結:

電流的傳輸速度通常不是指電路中自由電子的漂移速度,而是指電路中電磁波能量的傳輸速度;

在理想狀態下,電磁波能量可以達到光速傳輸,但實際情況下它最高只能達到光速的99%,這與傳輸介質以及導線的形狀有關。

相關焦點

  • 既然電子的速度不能達到光速,那為什麼電流的傳導速度卻是光速?
    夜幕降臨時,我們通常都會隨手打開房間裡的電燈,每當這個時候,我們都可以見識一次電流的傳導速度,只要我們按下電燈的開關,不管電燈距離開關的距離有多遠,它都會在一瞬間發出光明。那麼電流的傳導速度到底有多快呢?答案就是光速。
  • 電壓能增大電流的強度,能將電流的速度突破光速嗎?
    上初中的時候就學過歐姆定律,在一段導體的兩端加上電壓U,導體中就會有電流產生。產生的電流I與電壓U成正比,與導體的電阻R成反比。可以將電阻理解為導體對電流的阻礙作用,導體兩端的電壓越大,對電阻的對抗就越強,因此電流也就越大。
  • 電的傳導速度為光速,那定向移動形成電流的電子移動速度是多少?
    因為,電是以光速傳導的。我們還知道,在金屬導體中,自由電子的定向移動形成電流。那麼,金屬導體中電子定向移動的速度或說速率是多少呢?也是光速嗎?答案或許讓你大吃一驚,根據計算,金屬導體中電子定向移動的速度僅為0.75毫米/秒,據說比蝸牛的爬行速度還慢。
  • 到底是光速快還是人的思維快?思維的速度是否超過光速?
    我們經常說宇宙的速度極限是光速。那有沒有比光速還快的速度現象?如果對量子力學有了解的讀者,會異口同聲地說:量子糾纏。那量子糾纏比光速快,到底對不對?答案是既對也不對,要是看限制性語境。如果你只是問,宇宙中存在比光速還快的速度現象嗎?那答案是量子糾纏,且毫無爭議。注意這時候問得只是速度現象。如果你問信息和能量的最快速度現象可以超光速嗎?那答案就是:沒有。光速依舊是信息和能量傳遞的最快速度。
  • 「電」的速度和光速相比哪個更快·電驅汽車究竟有什麼優勢
    內容概述:光速與電流速度的差距,在汽車領域「電」的應用。知識點1:光速標準為299792458m/s(一般認定為30萬公裡每秒),這是以目前人類科技等級絕對無法超越的速度。不過同樣被認定為非常快的音速已經被超越,然而在是標準大氣壓的環境中音速僅僅為【340m/s】秒而已;那麼除了因素以外還有其他速度可以超越嗎?比如「電」的速度?理論上奔跑的速度都可以超過「電子」運動的速度,因為電子的行速僅僅為2m/s!博爾特每秒都能奔跑超過10米。
  • 電源打開,立刻就有電流,電的傳播速度等於光速?
    比如,打開電燈,燈就立刻亮了;給手機充電,手機立刻就顯示在充電中等,要知道,電力一般儲存在很遠的地方,那麼電的傳播速度和光的速度比起來會怎麼樣呢?事實上,對於電子的運動,其速度遠遠不及光的傳播速度,但是值得指出的是,對於帶電粒子間電磁力的傳播速度,是以光速進行的。
  • 閃電的速度是光速嗎?
    事實上,和閃電的速度相比,雷聲的速度簡直是「弱爆了」,但是關於閃電的速度,學者和專家們一直沒有得出比較確切的結果。很多人認為「閃電的速度就是光速,就是30萬千米/秒」,而也有不少人表示不認同,並展開了激烈的爭論。那麼閃電到底有多快,它和光速是不是一回事呢?  這得從閃電的發生過程說起。
  • 跟電打了那麼久的交道,你知道電的速度究竟有多快嗎?
    既然是運輸,那麼就會有人會想到它傳輸的速度到底有多快,電的速度也就是-我們所說的電流的傳播速度。一般情況下,電場傳輸的速度可達到一秒鐘將電傳輸到300000公裡以外的地方,並且在這個過程中,發電、輸電、配電、用電這幾個步驟在同步進行和完成。舉個形象一點例子來說,就是電場傳播的速度在1秒鐘內可繞地球七圈以上。
  • 光有速度嗎?在過去,人們通常假設光速是無限的
    愛因斯坦提出,光在吸收和發射能量時是一份一份傳輸的,光本身也是由一份一份不可再分割的能量子組成的,而這些能量子則被稱為光子,也就是說光子就是光的粒子,我們出去沐浴陽光以及綠色植物的光合作用吸收的便是光子。 「光是一種粒子」這一觀念最早由艾薩克·牛頓提出,但它在19世紀之前並未被廣泛接受,直到被阿爾伯特·愛因斯坦重申。
  • 電是發電機裡面電子以光速流出來的嗎,怎麼總也流不完?
    這是因為閉合電路中的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動的話,導體中的電子就會受到洛倫茲力,洛倫茲力屬於非靜電力,能引起電勢差,從而產生電流。電勢差產生電場,以光速到達導體兩端,驅動電子定向移動,輸送電流。那麼電流光速傳輸是怎麼回事?
  • 光速飛行會看到什麼?人類能達到的最高速度是多少?我們能達到光速嗎?
    原因是當你達到光速的時候,空間會發生嚴重的尺縮效應,任何遙遠的距離在你看來都會匯聚在一個點上;所有可見的不管是自身發光的、還是反光的物體,因為你正在已光速靠近它們,在你的眼裡它們發出的光線都會藍移,波長變短,甚至移動到X射線波段,這個波段的光你是看不見的。
  • 量子糾纏速度比光速快萬倍違反了相對論嗎?
    有人比喻為一雙手套,一隻左手套和一隻右手套,當裝著這兩隻手套的盒子沒有打開時,你不知道盒子裡的手套是左手還是右手,處於左右手都可能的「疊加態」。只有打開了一隻盒子,發現了其中裝的是左手套,立刻就知道了另外一隻是有手套。如果這隻盒子距離有1億光年,你也能夠立刻知道了。
  • 電源接通,瞬間來電,那電的傳播速度和光速一樣嗎?
    電有很多形式,你可以把電理解為具體的電子,也可以理解為電荷之間的電磁排斥或者吸引力,也可以理解成電子移動產生的場。所以電的速度有很多形式對於電子的運動來說,那速度遠不及光速,但是對於帶電粒子之間的電磁力的傳播速度,那就是以光速行進。計算帶電粒子相互作用的運動速度。「同性相斥,異性相吸」。
  • 我們都在說「速度是相對的」,但為什麼光速是絕對的?
    也就是說,如果你面前放著一個鐵球,它就是絕對靜止的,除非你用手推它一把,它才會因滾動獲得速度,且這個速度對任何人而言都是相同的,假如對你而言是10米/秒,則對所有人而言都是10米/秒。隨之而來的更棘手的問題是,30萬公裡/秒的速度是相對於什麼參考系而言的呢?一開始,人們堅信光速與別的速度無異,同樣會因參考系的不同而不同,直到詹姆斯·克拉克·麥克斯韋於19世紀建立起一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關係的偏微分方程之後,災難便降臨了。
  • 在宇宙中有比光速更快的速度嗎?
    愛因斯坦的相對論早已告訴我們,任何有靜止質量的物體速度都不可能超過光速,「光速不可超越」在很多人心裏面已經根深蒂固。那麼,如果說沒有任何物體的速度能超越光速,宇宙間就不會「超光速」的現象嗎?事實上,還真有。
  • 電源接通後會瞬間有電,那電的傳播速度和光速一樣嗎?
    電的速度取決於我們對「電」這個詞的理解。這個詞很普遍,基本上是指「所有與電荷有關的現象」。假設我們指的是穿過金屬導線的電流,如電流通過檯燈的電源線。為了理解每一種速度,以及它們為什麼各不相同,但卻在物理上有意義,我們需要了解電流的基本知識。
  • 4-20ma電流傳輸模擬量知識詳解
    大家可能會非常熟悉RS232,RS485,CAN等工業上常用的總線,他們都是傳輸數位訊號的方式。那麼,我們用什麼方式來傳輸模擬信號呢?工業上普遍需要測量各類非電物理量,例如溫度、壓力、速度、角度等,這些都需要轉換成模擬量電信號才能傳輸到幾百米外的控制室或顯示設備上。工業上最廣泛採用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。
  • 宇宙中超光速的困惑:宇宙膨脹與退行速度!
    哈勃定律中的退行速度與距離成正比,如果宇宙是無限的,當距離大到一定的時候,速度必定要超過光速。事實上,並不需要假設宇宙無限,在現今可觀測的距離範圍,退行速度已經超過光速。光速不變和光速不可超越,是狹義相對論的假設條件。其中涉及的距離及時間概念都需要在平坦的閔可夫斯基時空中來理解。
  • 量子糾纏的速度超過光速了嗎?答案顛覆認知!
    1905年6月份,愛因斯坦拋棄了以太的概念,假設光速不變和狹義相對性原理,推出了狹義相對論!當然其中的長度變換仍然是洛侖茲變換,而根據洛侖茲變換則可以推出在狹義相對論之後愛因斯坦發表的《物體的慣性同它所含的能量有關嗎?》
  • 光速並非宇宙最快速度,五個「超光速」現象,你知道幾個?
    提到宇宙中最快的速度,相信大家都會第一時間想到光速。沒錯,我們從小到大的書本中一直告訴我們,光速是宇宙中最快的速度,以至於宇宙中的距離尺度都採用光速作為單位。最主要的是「光速恆定」和「光速無法超越」經過多年的推論和驗證早已被公認為正確的理論。