電流的傳輸速度真是光速嗎?你錯了

2021-01-09 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。

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