既然電子的速度不能達到光速,那為什麼電流的傳導速度卻是光速?

2019-10-10   魅力科學君

夜幕降臨時,我們通常都會隨手打開房間裡的電燈,每當這個時候,我們都可以見識一次電流的傳導速度,只要我們按下電燈的開關,不管電燈距離開關的距離有多遠,它都會在一瞬間發出光明。那麼電流的傳導速度到底有多快呢?答案就是光速。

我們都知道,電流是電子的定向移動產生的,而電子雖然很小,但是還是有質量的,現在的科學家們已經計算出了電子的質量為9.10956 x 10^-31 千克。著名的科學家愛因斯坦曾經提出一條物理學的鐵律,即凡是有質量的物質都不可能達到光速,迄今為止,這一鐵律都未曾被打破過。

很顯然,既然電子有質量,那麼電子的速度就不能達到光速。事實上也是這樣,現代的粒子加速器可以將電子加速到光速的99.99%以上,但就是沒辦法將電子加速到光速。

現在就有了一個問題:既然電子的速度不能達到光速,那為何電流的傳導速度卻是光速?

上圖是一張超級簡單的電路圖,我們不用親自去做這個實驗都可以知道,只要將電路中的開關閉合,電路中的燈馬上就會亮。關於這個實驗,可能會讓人產生一個認知,那就是當從電源出發的電子通過燈時,燈就亮了,但實際上卻不是這樣。

要產生電流,就必須有一個閉合的通路,對於上述的這種電路,我們可以簡單地認為,當開關閉合時,電子不停地從電源的負極出發,與此同時,電路中的電子又不停地回到電源的正極。值得注意的是,在這個過程中,並不是電源發出的電子在單獨行動,而是整個電路的電子幾乎同時在行動。

為了方便理解,我們可以將這個電路想像成一個密封的、充滿了水的管道,其中電源相當於一個持續的加壓裝置,而電子就相當於管道里的水,顯而易見的是,當開關閉合時,管道里所有的水都會在加壓裝置的作用下一起運動。

於是我們可以清楚地了解到,真正讓這個電路中的燈發光的,並不是電源發出的電子,而是在它附近的電子。也就是說,當燈發光的時候,電源發出的電子其實還在趕來的路上。

那到底是什麼在驅動電路中的電子移動的呢?答案就是電場力。電場是一種客觀存在的特殊物質,它會對所有處於其中的電荷產生作用力,這個力就是電場力。需要指出的是,根據現代物理學的描述,電場的傳播速度就是光速。

有了以上的認識,我們就可以給出「電子的速度不能達到光速,那為何電流的傳導速度卻是光速」這個問題的答案了。當電路的開關閉合時,電源就會以光速在整個電路中建立起電場,在電場力的驅動下,電路中所有的電子都會一起移動,從而形成電流。所謂的「電流的傳導速度」,其實指的就是電場的傳播速度,那麼它當然就是光速了。

可能大家都會很好奇,電路中電子的真正移動速度到底有多快,事實上,這個速度可能比大家想像中要慢得多。電路中電子的移動速度是可以通過相關公式計算出來的,考慮到篇幅問題以及計算過程的無聊,這裡只講結果:理想情況下,當強度為1A的電流通過一根直徑為1毫米的標準銅導線時,這根銅導線內的電子移動速度僅為每秒鐘0.1毫米。


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