電源開啟,立刻就有電流,電的傳播速度等於光速?

電源開啟,立刻就有電流,電的傳播速度等於光速?

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

電能是人類能夠直接使用的能源之一,有很多職業和電有著密不可分的聯絡,在我們日常生活中也很難離開電。實際上,電有很多形式,我們可以理解成具化到個體的電子,也可以理解成電荷間的相互作用力,也可以理解成虛無縹緲卻客觀存在的電子移動形成的場。

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因此,電是多種多樣的,所以電的速度也有很多種形式,要透過具體的情況分析,也正是因為此,電這個物件成為了很多物理老師出題的最愛,不過做題的學生們就很頭痛了。

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生活中,我們一開啟家中電源的開關,立刻就有電的形式表現出來。比如,開啟電燈,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?

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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。

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我們通常所說的“同性相斥,異性相吸”,斥力和吸引力都是電磁力,在帶電粒子吸引和排斥的過程中可以計算其加速度,這樣就能夠計算出某一時刻帶電粒子的具體速度了。

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當然,人類世界中電子一般都執行在電線之中,當電線接通到電源的時候,電線內的自由電子就會運動,而運動的原因就是輸送和輸出端有電勢差,而電勢差在數值上是等於電壓的。

一個自由電子的移動會撞擊到導線中的下一個電子,根據這個原理,科學家透過計算導線末端的電子響應時間和整個導線的長度,計算出電子的作用速度是光速的67%,即20萬千米/秒,這和光速相差不多。

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這樣的速度並不是電子的執行速度,而是被稱為“漂移”速度,換句話來說,就是一個電子並不是以20萬千米/秒的速度抵達導線的末端,而是它發出的場影響到末端電子的速度。

導線中,單個電子的速度也是有公式計算的,即V=I/nAq。

這裡的V是指電子的速度,I是指電流,n是導線中自由電子的數量,一般這個數量是很大的,A是導線的橫截面積,q是電子帶的電荷,透過計算我們就知道,單個電子的移動速度在每秒幾毫米左右。

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對於電子速度無法超過光速,還有一個原因就是電子有質量,儘管它的質量很小,小到可以讓人忽視它的存在,但光子沒有質量(這裡所提的質量均是靜止質量),根據愛因斯坦的相對論,我們能夠知道,有質量的物質其速度越接近光速,其能量就越趨向於無窮大。