電流有速度嗎?如果有下面這個問題怎麼解釋?

首先感謝某知友提供的建議和圖片

咳咳!電流是電子的移動產生的,如圖所示,閉合開關,電子從電源負極出來,然後到達B點分成向上 向左 兩條路,經過L1燈到達A點,此時B點向上的電流可能剛到達C點,然後A點的電流應該繼續向上和向左分成兩條路,於是經過L2的電流和A向上分流就會碰撞在D點,那麼L2燈應該不會亮啊,但是現實生活中不會出現這種情況?應該要怎麼解釋

題目做了一下調整,沒有改變原題的意思


電流的速度並不是電子的速度。

電子在固體里的移動速度只有光速的百分之幾,但電流的速度是電場建立的速度,這個速度是導體周圍介質里的光速。

如果是真空中的裸露導線,電流的速度就是真空中的光速。空氣中的導線就要慢一些,考慮到導線外面的絕緣層,又要慢一些。

在印刷電路板上則要看基材的介電常數。常用的FR-4環氧層壓板的相對介電常數是4.5左右,因此在電路板里電流的速度略小於真空中光速的一半。

對於現代的高速電路,這個速度雖然仍然很快,但是已經不能當作無窮大來考慮了。400M的信號,周期是2.5ns,一個周期內信號只能前進37.5cm。在內存匯流排之類場合,經常要求走線等長,就是為了保證每條線上的信號同時發出,同時到達。有時走線要設計成蛇形,就是這個原因,如圖。

有興趣的話把自己電腦上的內存條拔下來看看?


愛思考的好孩子,鼓勵一下!

說明(新增):以下回答只針對第一問,「電流有速度嗎?」。因為「電流速度」概念模糊,這裡將與導體中電子運動相關的幾個速度拿出來,區分一下。

舉個例子。一根很長很長的水管,一端開口,操作者在另一端用活塞推動水柱前進。這裡,決定水對推力的響應快慢的,是水中聲速(很快,力場傳遞的速度,或者聲波傳播的速度);決定水流流動快慢的,是推動活塞的速度(較慢,決定於壓差、粘滯阻力等);決定水分子本身運動快慢的,是溫度和水本身的性質如分子質量等(很快)。可以發現,各個速度其實是相對獨立的。

在電路里,決定電子響應快慢的,是介質光速(很快,接近光速;電場傳遞的速度,或電磁波傳播的速度);決定電流流動快慢的,是電子平均運動速度(很慢,蝸牛速度;與電流大小相對應,決定於電壓、電阻等);決定電子本身運動快慢的,是溫度和導體自身的性質等(光速的百分之一量級,具體的與導電物質的結構和能帶有關)。

另外,宏觀電路本身是一個極度簡化的模型,電流在導線中傳播也不能簡單地看成流體,更不能想像介面處是垂直還是夾角、電流打架什麼的。不過在微納米尺度的器件中,介觀輸運中,尤其是彈道輸運情況下,是需要考慮這些問題的。電路的長短、搭接的夾角、粗糙圓滑程度等的影響開始顯現出來。

附註:關於金屬中參與導電的載流子,只有少數幾種金屬(如K、Na)是純電子導電的,多數金屬都是電子與空穴共同參與導電的,只是一般來說電子比空穴多。另外,金屬中大部分電子並不參與導電,即使是價電子,也僅僅有很小一部分參與進來。這一點要有量的概念。


題主的這個疑問在於題主對概念的混淆。

我要說的已經有答主提過了,但並沒有說明白。

首先:電流是有速度的,這點先回答了;

下面我們說重點速度到底是多少:

這裡有四個速度,電子定向移動的速度、電流的速度、電流的傳播速度、電場的傳播速度;

電場的傳播速度:我們都知道電場的本質就是電磁波,電磁波在真空中的傳播速度就是光速(通過變化的電磁場來進行傳播;例如可見光就是電磁波的一種),而電場在導線中的傳播速度就與導線的材料有關了,給出公式u=1/sqrt{varepsilon +mu } =c/n.

u:電磁波在介質中的傳播速度

varepsilon :介質的介電常數;

mu :介質的磁導率;

c:光在真空的速度;

n:n=sqrt{varepsilon _{r} 	imes mu _{r} }

varepsilon _{r} :介質的相對介電常數;

mu_{r}:介質的相對磁導率;

有以上我們就可以計算出導線中電場的傳播速度。

電流的傳播速度:電流的傳播速度就是電場的建立速度,即電場的傳播速度。

電子定向移動的速度:電子定向移動的速度,我們有電流的定義式就可以求出,

電流的定義式如下:I=nesv

各字母含義:I:電流的強度

n:導體中電子的密度;

e:電子電量;

s:導體截面面積;

v:電子定向移動的速度;

好了有以上我們就可以求出電子定向移動的速度。

接下來就是說重點電流的速度是多少了

電流的速度:再解釋電子定向移動的時候用到了電流的定義式,這已經很明顯地說明了電流的速度就是電子定向移動的速度了。如果覺得不明顯,我們再看電流的另一種定義:單位時間內流過某一確定橫截面的電荷量的大小I=Q/t

還覺得不夠明白,我們看電流的形成原因:電子的定向移動形成電流;故而我們可以確定無疑的說電流的速度就是電子定向移動的速度。

到此已經說明了電流的速度是多少了。

下面說命題主的另一個問題:電流「打架」的問題,也可以說是燈泡亮於不亮、先亮於後亮的問題

首先電流「打架」這是不會發生的,電流就是電子的定向移動,電子的定向移動是由於電場的驅動,電場說電子你從A走到B,電子會一絲不苟、不打折扣的完成,而在電路中電場的方向是統一的:從電源的正極指向電源的負極(註:在電源的外部)。所以電子是不會打架的,所以呢電流也不會打架,所以所以呢燈泡肯定是都會亮的。

不過呢燈泡亮是有先後順序的,前面已經說過了,電流的傳播是有速度的(及電場建立的速度),雖然很快,但仍有極限,所以同不同時要看電場在哪裡先建立了。

我們日常生活中的對電的主觀體驗是被電場主導的,所以我們感覺電流很快。(我們日常生活中並沒有吧電流、電流的傳播區分的那麼細,也不必要)

最後補充說明一點電子的移動速度還是很快地,這個速度是電子定向移動速度的好幾個數量級


把知識複雜化是答題的忌諱,至少我是很不想看一些看起來答非所問貼上一堆看上去不相關的很專業的東西的回答。我就按照題主的意思來答一下,不超出高中內容。水管全是水平鋪設,不存在高度差。

題主認為剛接通後電子從電源出來,到B分成兩股,下面路短,到A點之後又一分為二,上面路長,B向上的電子會和A處向上的電子「打架」。但電子為什麼會運動呢,其實是電場方向決定的,所以在A處電子不會向上流動的,因為上方電壓低。A處電子並不向上,所以不存在「打架」的問題。(註:經 @WXM 指正,接通電路瞬間A會有部分電子向上,後來才被上面支路更強的電子流「沖」下來,具體分析請參考他的答案。在那一瞬間,A點電場會和穩態時候方向不同。)

一個不恰當的類比是把電路換成水管,如果之前水管是空的,水從電源右側流出,到B後分成兩股,下面的先到A,此時A上方還是空的,所以A處水會向上,直到碰到B分流處從上面過來的水。然後最後因為B過來的水壓更高,「打架」沒打贏,A處向上的水最後還是不甘心的回頭了。

但如果水管在開關接通之前就是裝滿水的呢?AB以及上下各處本來就是裝滿水的,一接通之後A處就只得老老實實正常流動( @WXM 極短瞬間會上流一點,下面說),不會產生向上的「逆流」,因為水壓決定了流向。

回到電路,現在問題來了,開關接通之前,電路裡面是空的還是充滿電子的呢?

答案是充滿電子。

但是我們又說電流速度不是無限大,至少不能超光速,這又是什麼意思呢。首先,現象來看,這裡指的是,合上開關一瞬間,燈不會亮。然而燈絲裡面其實是充滿電子的,只是這些電子沒有移動,所以不亮。這裡速度指電子移動的傳播速度,合上開關,電源裡面電子立刻開始移動,但要等一小會,燈裡面的電子才開始移動。回到充滿水的水管,就是水廠打開閘門,即使水管充滿水,遠處也要等一下水才會開始流動。不妨稱之為水中運動狀態的傳播速度(本質是壓力不均勻的傳播),打開閘門的瞬間,從下面支路來的運動狀態先到達A,A處會有極短暫的向上的水流。/*這叫電磁相互作用的傳播速度,為光速。*/

經 @WXM 指正,這裡不應該是電磁相互作用傳播速度,但用水類比是很恰當的,和水管一樣,但電子運動狀態的傳播速度( @WXM 稱之為電流密度群速)有待考慮。以下內容超出高中知識。

可以考慮等效於恢複電中性的馳豫時間,即認為接通開關到達到穩態的時標等同於導體中自有電荷的馳豫時標,計算表明對於銅而言這個時標是10^-19S,乘上光速也是很小的一個距離,所以相比而言,電流密度的相應速度遠大於電場傳播速度,近似來講可以忽略。

因此可以講良導體構成的宏觀電路中電子運動狀態的傳播速度幾乎等同於電磁相互作用的傳播速度,為光速。電子響應的影響微乎其微。

到這裡算是答完了,這個問題確實很不簡單,能夠提出好的問題是很重要的能力,甚至比解決問題的能力更寶貴,感覺自己這方面能力不如中學生,喪失了一種單純好奇打破砂鍋問到底的看待事物的眼光。


額,只能說你物理老師不合格,我記得我高中的時候,我的物理老師反覆強調過,電流的速度不是電子的移動速度,而是電場的建立速度,也就是說,燈亮的時候,並沒有電子「到達」B點,只是在AB兩點之間建立的電場……


你說的問題確實存在,但在這個時候就沒有電流這個東西了。高中時說的電流是恆穩電流,討論的是電流穩定之後的事情。但這個非靜態過程,正如其他答案所說,傳遞是光速級的。也即是視電路大小,非穩定過程只有納秒至微秒級。對於簡單小型電路來說關係不大。

在非准靜態過程中,我們討論的是電流密度。你不能把電流當成在哪都相同。可以想像你這張圖中,A點向上的分流必然小於由上至下的電流。二者相撞,最終由上至下的電流還是會擠到A點。此時由B到A的兩條支路平衡,電路進入恆穩狀態。

電流電壓那一套就是為了讓你在不知道中間過程的情況下,算出恆穩電路的狀態。就像你把珠子放在一個複雜的下滑軌道上,不管軌道多複雜,我們知道最終珠子必然會從終點出來。而這個最終狀態才是我們要關心的,中間狀態時間太短了

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下面的部分不屬於答案,是稍微專業一點的討論:

真不明白為什麼這麼多人在糾結電流速度的問題。請大家找一本專業的物理書,從頭到尾翻一遍,看哪裡有「電流速度」這個詞?電流就是電流,不是物質,沒有速度。 電場群速,電流密度群速,漂移速度,費米速度都不是「電流速度」。 題主是孩子,我不會跟題主糾結這個問題。但是你們這些答題的有信誓旦旦的說電流速度就是漂移速度的,或者說電流速度就是電場群速的( @張浩),還有稍微好一點,但是把電場群速等同於電流密度群速的( @小蘿莉 ),電子響應可不是瞬時的,雖然時間短,你可以說二者速度接近,但是者二者可不能劃等號。不是做物理的我也不想提了,但是做物理的還是應該注意下吧

題主這裡的意思明顯是在考慮電流密度的群速,糾結的是電流如何變化的問題。這裡只有 @小蘿莉 真的在答題,其他人都在討論什麼鬼。

顯然題主的疑惑來源於定性分析時只考慮了有無的問題,忽視了多少的問題。他只考慮了A點「有」向上的電流,上支路也「有」向下的電流,但忽視了上方電流比A點向上的電流強的這個事實,因而推出電流會在上支路平衡的佯謬。這與他學到的電路分析的結果不符,所以才來知乎問了這個問題。

我跟 @小蘿莉 想法的區別在於,到底A點有沒有向上的電流? 讓我們忘掉電路學,從基本的經典電磁理論來考慮,電路中的電壓是怎麼變化的?

在電路學中,我們說導線兩端的電壓差帶動了載流子的運動,但是在電路學中我們做了什麼假設呢?讓我們考慮一個step function信號。在這裡,我們把電路當成經典模型。首先,這不是一個電磁波,我們只是瞬間改變了某點的電壓,而不是產生電磁輻射(雖然必然有輻射,但與我們的電路無關)。

假設導線中間是真空的,邊緣是完美絕緣體,我們的電勢場在軸向上也只是一個step function。在導線中放一個電子,它感受到的只是uniform的電勢。也就是說我們在導線兩端提供壓差的行為並不會讓電子移動,電信號也並不會傳遞出去。意思就是,導線中電場的建立並不是自發的。

那電信號是怎麼傳播的呢?想像一個在邊緣的電子,我們瞬間提供一個信號,在邊緣,電子瞬間感受到一個近乎無窮大的電勢梯度。假設電子剛好受到嚮導線的力,則其必然會向內移動。如果導線內部是一個平衡的電子海,則該電子的進入會打破平衡。誠然,電子產生的電場能作用到無窮遠,該電子的移動的效應會以光速傳播出去,但是該電場是以距離的平方遞減的。該電場只對周圍的電子產生明顯的影響,讓周圍的電子向相同的方向移動出去,而移動的電子與未移動的電子之間會產生於電信號幾乎一樣的電壓差。也就是說,是電子的流動產生了電壓差。電流與電壓是一個相互作用過程,在電流穩定前電壓也是不穩定的。

當然,這個作用發生的時間很短,電子海只要達到漂移速度就能進入准靜態了。而漂移速度非常小,電子質量也非常小,因而電流的群速幾乎就等於電場的群速。

說了這麼多,我想證明的就是電流的傳播與可壓縮流體是一樣的,在非准靜態下,題主說的問題確實是會發生的,只是會很快進入准靜態,我們幾乎觀察不到而已


電流的速度是電場建立的速度,在導體中大概是真空中光速的2/3。

電子移動的速度相比之下很低很低,可以認為是靜止的。

這是高中物理的基本常識。


有,但是很慢。電場的速度很快,是光速。


我們來看下圖:

當我們接通電路後,即使開關K還沒按下,但電源的電場已經建立起來了。由於開關K斷開狀態時電阻非常大,所以系統中沒有電流。一旦開關K閉合,則全系統的電子(這裡指的是自由電子)同步地按相同方向運動,由此形成電流。

這個觀點很重要。

我們來看基爾霍夫電壓定律KVL和電流定律KCL成立的條件是什麼?它的第一個條件是電路中任何一點的電流不會產生堆積,也即所有電子(自由電子)必須同步運動;第二個條件是電路的實際尺寸必須小於電流波長的1/4。

按第一個條件,我們很容易看出,題主的看法是錯誤的。錯誤在於,沒有認識到電路中首先建立的是電場,電場力是讓電子運動的根本原因。

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在靜電場中,電荷受到電場力的驅使,會產生定向運動。我們想像在電場中存在N多的電荷,它們會象馬拉松運動員那樣地出現選手超越嗎?答案是:不會。它們的運動是同步的,不可能超越。

有點象我們在空中灑下一把米,所有的米粒(初速度均為零)都按S=frac{1}{2} gt ^{2} 的規則運動,不可能出現超越。

知道為什麼?原來靜電場與重力場的性質非常類似,它們都是保守場。

提一個問題:

電路中的電流速度如何確定和計算?

提示:電源建立電場的速度是光速,但電流的速度卻是常規速度,近乎為烏龜爬。怎麼計算?

我們注意到:電流的速度一般泛指電場的速度,但題主的問題說電流的速度,應當理解為電子流的速度(以下簡稱電流速度)。

在評論區的知友高震宇已經給出了一個答案,如下:

電流速度v,可以根據電流強度I,導體橫截面積S,電子密度ρ計算。

vSρ=I

自由電子的密度很大,所以計算出電流速度很小,估計通常情況是秒速五厘米級別。

這個答案對不對呢?

從中學物理的觀點來看,是對的。但從麥克斯韋電磁場理論的觀點來看,則存在問題,需要修正。

但不管怎麼說,導體中電流的速度是每秒厘米級別的烏龜速,這一點沒有爭議。

顯然,這個結論與某些知友說電流的速度是光速,或者是光速的幾分之一,顯然有著天壤之別。

您猜對了嗎?


電流是個抽象定義,是沒有速度概念的,或者說是無限大速度。學物理啊,要記得好好看定義。

現實中電流是通過帶電粒子的移動來表現的,這些帶電粒子叫做載流子。

幾乎所有回答都搞昏了電流和載流子,載流子是有速度的。不管真空還是介質,但都跟光速沒啥關係哈。載流子的速度受制於很多方面,中學階段沒有能力完全理解,但一定要搞清楚一點,載流子的速度決定的是平均電流的大小而不是電流的快慢!!!!!

竟然還有人提電磁波,擦~ 物死早系列大結局~


那樣子的水管,在電阻對應位置放齒輪,兩個齒輪都會動么?

應該會。

思考了下你的想法一點問題都沒有,但是往上流電子就會積蓄而下面不會,於是上面的電子開始往下流。

無圖無真相,不過應該挺好想的。


電子速度很慢,場的速度很快!

什麼是場

一管子水就是場,從a點施加推力,水從b點擠壓出來!這個傳遞速度是很快的,姑且理解為光速!!

但並非a點的水到達了b點,水的速度很慢!!

我們這個宇宙是一個巨大的場,電流的產生是因為開啟了場能,因此以光速傳遞電能,但並非電子移動就是光速!


但是燈泡燈絲被電流加熱到發光需要的時間遠遠超過你們說的這些時間→_→


其實問題在於你所說的電流的速度是指什麼?

是建立電場的速度還是導體內電荷的速度還是別的什麼

你問的情況不會發生,因為在接通電路前電場就已經建立,導體中的電荷已經受到電源的電場影響,向電勢低的一方移動,成為一個電容,產生的電場平衡了電源的電場。


電流的速度大神們已解答。至於這個問題,用高中物理強答一波。因為A點電勢比B點高,所以電流方向(電子運動的反方向)是從A到B。高中課本上常用水流類比電流,雖然很多大神覺得不妥,但是還是有很多類似的地方,可以用作理解。河流必然從地勢高的地方往低的地方流,並不會因為前方有分叉,就順著分叉往上走。水流由於重力,電流由於電場力。完畢。


可以這麼理解:把電流看做兩個同步輪之間的皮帶,自由電子是同步帶上的一個點,由於電子運動的同步性,即使你在同步帶的一頭很緩慢的動一下,幾十米甚至幾百米外同步帶的另一頭也會完全同步的體現出現,然而同步帶上的那一個點即電子卻只走了幾厘米甚至幾毫米。這大概就是電子與電流的關係吧。

抱歉好像跑題了,電子在電場中中是要受到電場力的,他並不是自由活動的,總要向著電源正極跑,就像空中的物體永遠受重力的拉扯一樣。


實際上電子在導線里運動的速度很慢,我記得高中老師曾經計算過,很慢很慢。但是當打開電源的時候,電場就在導線中以光速建立起來了,這個時候,我們可以考慮A點上方的點,在A點的上方,電場會把電子向A點推,這樣,就不會讓A點的電子向上走。實際上,在A這一點,當電場建立起來的時候,電場也會把電子向左推,不會向上走。總之一句話,電子在電場的作用下運動,並不是哪裡有路往哪走。


電流可不是試著走然後掉頭的。


以下個人見解,憑印象沒查書驗證。。。

1.電子速度和電流速度不一樣?

2.電子速度是和電子在不同介電常數下的材料的電磁場的傳播速度一樣快

3.I=Q/t=(nesvt)/t=nesv

n是單位體積的電子密度

s是橫截面積

e是電子電量

根據這個式子可以求出速度。

(很好奇這個速度會不會就是等於介質中電子移動速度?)

4.電流可以當做流體來理解,題主說下面的LED燈會往上走是有道理的。但是一旦上面LED燈導通會產生往下走的電流,往上走的電流就回運到阻礙,然後手拉手一起往接地端走下去。

(這也說明了電流總喜歡往電抗小的地方走,但也會有一部分不聽話亂走)

5.導線內處處充滿自由電子,一但開關閉合就會形成迴路,所有的電子都會定向移動

6.若是你導線很長很長設長度為L,若不考慮導線電阻,並且電流速度一定(管它是不是電子的移動速度),那麼是下面先亮,上面的燈後亮。


這就和排隊一樣嘛……

相當於兩個隊排兩個窗口,兩個窗口辦理速度都是一樣的,單位時間內新來排隊的人和辦完離開的人數一樣

這樣的話,即便一列隊比另外一列長,只看隊頭和隊尾的話效果是一樣的——一個人進去一個人出來

所以並不會出現「這個電流的路徑長,跑的時間長」的情況


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