電的傳播速度是指電場的傳播速度(也有人說是電訊號的傳播速度,其實是一樣的),不是電子的移動速度。導線中的電子每秒能移動幾公尺(巨集觀速度)就已經是很高的速度了。
電場的傳播速度非常快,在真空中,這個速度的大小約為接近於光速
。「電」的傳播過程大致是這樣的:電路接通以前,金屬導線中雖然各處都有自由電子,但導線內並無電場,整個導線處於靜電平衡狀態,自由電子只做無規則的熱運動而沒有定向運動,當然導線中也沒有電流。當電路一接通,電場就會把場源變化的資訊,以大約光速的速度傳播出去,使電路各處的導線中迅速建立起電場,電場推動當地的自由電子做漂移運動,形成電流。那種認為開關接通後,自由電子從電源出發,以漂移速度定向運動,到達電燈之後,燈才能亮,完全是一種誤解。
如果導線中有交流電存在,則導線兩端必須存在著交變的電壓,導線中就會存在著方向和大小來回變化的電場,電子在這種電場中的運動就是在導線來回的往復的振動,振幅不大,但頻率很高。(就像搖頭似地,來回地搖啊!)
電能是怎樣轉化成其他形式的能量?一般來說, 電流是由電子的定向運動產生的。
轉換熱能:在運動過程中與負載中的其他(比如質子)產生的碰撞,這樣使得產生振動,這樣就轉換成了熱能 雖然電子質量非常小,分子動能也比較小 但是電子的數量龐大 它主要跟碰撞機率有關(這就決定了電阻的大小) 轉化為光能:電子的能量轉移到一些容易躍遷的物質中,是這些物質處於激發態,根據能量最低原理,能量越低越穩定,那麼它就必須向外界釋放能量,光能。電子的規律運動如果呈現環形的話, 則就會產生磁場,然後根據磁電效應帶動其他負載,比如電機……之類的 ,這樣就轉換成動能。轉化為化學能:原電池的充電-電能通過補充電導液的陰陽離子,在電極上分解材料,實現能量轉換。
電壓越大,電場越強,電子獲得的能量越大。
通常情況下,其他金屬導體中電子的漂移速度也約為10-4公尺/秒這個數量級
金屬導電的原因,是其中存在著可以自由移動的電子。在電場的作用下,導體中的自由電子在熱運動的基礎上,逆著電場方向產生乙個附加的定向速度,這個速度的平均值,稱為漂移速度。
通常情況下,其他金屬導體中電子的漂移速度也約為10-4公尺/秒這個數量級。而金屬中自由電子的平均熱運動速度的大小為105公尺/秒數量級,可見自由電子在電場作用下的定向漂移速度遠小於平均熱運動速度。
既然金屬導體中電子的漂移速度如此之小,為什麼平常還說「電」的傳播速度非常快?誰都知道,在很遠的地方把開關接通,它所控制的電燈就會立刻亮了起來,若按估計出的電子漂移速度的大小,似乎接通開關後要等很久電燈才會亮。
其實這並不奇怪,平常說的「電」的傳播速度,不是導體中電子的漂移速度,而是電場的傳播速度。電場的傳播速度非常快,在真空中,這個速度的大小約為3×108公尺/秒。「電」的傳播過程大致是這樣的:電路接通以前,金屬導電子線中雖然各處都有自由電子,但導線內並無電場,整個導線處於靜電平衡狀態,自由只做無規則的熱運動而沒有定向運動,當然導線中也沒有電流。當電路一接通,電場就會把場源變化的資訊,以大約3×108公尺/秒的速度傳播出去,使電路各處的導線中迅速建立起電場,電場推動當地的自由電子做漂移運動,形成電流。那種認為開關接通後,自由電子從電源出發,以漂移速度定向運動,到達電燈之後,燈才能亮,完全是一種誤解。
我們可以用乙個形象的比喻來說明以上的道理。一隊將要進入展覽館參觀的學生,排成直線隊形,隊首在展覽館門口,隊尾還在學校內;指揮隊伍的老師在校內,隊伍靜止不動,等候參觀。當老師發布命令:「參觀開始!」命令以聲速v(約為332公尺/秒)沿隊伍傳播出去。而聽到命令的學生,則以某一慢得多的速度v′(約1公尺/秒)前進。當聲音傳達到展覽館門口時,站在門口的學生就可以走進館內參觀。假設學校到展覽館的距離為s公尺,命令傳達到館門口所用的時間t≈s/332秒,乙個人從學校走到館門口要用的時間是t=s秒。這裡,從發出命令到開始有人進入展覽館的時間是t,而不是t。如果把學校比作電源,展覽館比作用電器,教師發布命令相當於開關接通電路,聲音傳播的速度相當於電場的傳播速度,則人行進的速度相當於電子沿導線定向移動的速度。這個過程和接通電源後,電場以光速沿導線傳播,電場傳到**,**的自由電子就開始定向移動的情況相似。接通電源後,電場傳到用電器的時間極短,所以接通電源後,可以認為電流立即傳到用電器,使其開始工作。我們所用的這個力學模型,可以形象、直觀地加深學生對這個問題的理解。
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