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电线中电子的移动速度有多慢?从开关流到灯泡需要好几天
很多人觉得电子在导线中的流动速度非常快,因为在我们生活经验中,在我们按下灯泡开关的那一刻,灯泡就亮起来了,可以说不存在任何延迟,因此,让我们产生了一种错觉,感觉电的传播速度几乎是无限大的,而事实上电子在电线上的流动速度非常慢,甚至比蜗牛还要慢的多。
在了解这个之前电子的速度之前,我们先区分一些概念
电流和电子
之所以我们平时会产生电子移动速度无穷大的印象正是因为我们将电流和电子混淆了。
什么是电流?电流是电子定向移动而产生的。我们可以这样理解,电子是因,电流是果。电流的产生原因是因为电源产生了电场,在电场的作用下电子会从电势高的地方流向电势低的地方,因此产生了电流,电场的传播速度是光速,因此电流传播的速度也是光速。这就是为什么当我们按下开关的那一刻,灯泡立马就亮了。
电子在没有没有通电的导体中可以随意流动,导体就好像是电子的一片海洋,由于运动是杂乱无章的,各个方向上都会存在着运动,因此会相互抵消,在宏观上表现为没有电流。
当加上电场时,电子在电场的作用力下定向移动。
对于单个电子的运动速度,我们可以打这样一个形象的比方,在一个业务办理处,我们将柜员比作用电器,而排队的人比作电子。有一天还没有上班,但是大家已经排好队正在等待,当上班时间一到,那么最靠近柜台的排队人员就最先开始办理业务了,而后面的电子则需要等前面的人办理完之后才能前进,对于单个人来说,这是一个缓慢的过程,但是业务员却是从上班那一刻就开始工作了,并且这个过程是连续不断的,一个接一个。
这就和电流一样,当我们按下开关的那一刻,最先和灯泡作用的是电路中离灯泡最近的电子,在那一瞬间与灯丝作用,从而产生光亮。而不是电子在那一瞬间从开关跑到灯泡。
因此电子定向流动是瞬间的,也就是电流的产生是瞬间的,但对于其中单独的某个电子来说,那是一个非常缓慢的过程,电流只是我们看到的一个宏观现象。
既然电子的流动是因为电场的产生,因此它的移动速度自然会与电场的强度有关,不仅如此,还与很多因素,例如导线材料,导线粗细有关
那么以家庭中的电流为例,电子移动速度到底多大?我们可以做一个计算
从开关到灯泡,电子需要流动多长时间
假设我们使用的电压是直流的220V,我们使用的灯泡是200W,电线是纯铜的,并且横截面积是4mm,那么他的电子流动速度可以通过下面这个公式进行计算
其中I表示电流,e表示电子数,N表示单位体积电子数,s表示导线面积。
通过带入这个公式的计算,得出的结果是
这个速度那是绝对的比蜗牛慢得多,蜗牛平均速度为8.5M/h,也就是一秒钟2.3毫米,而电子在导线中的运动速度为0.01毫米,只有蜗牛速度的两百多分之一,看到这个数据是否让你觉得十分惊讶。
假如家庭中开关与灯泡的连接距离有4m,那么这个电子从开关运动到灯泡需要花费111个小时,结果肯定远远超乎了你的想象。

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