電的傳播速度是指電場的傳播速度(也有人說是電信號的傳播速度,其實是一樣的),不是電子的移動速度。導(dǎo)線中的電子每秒能移動幾米(宏觀速度)就已經(jīng)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于光速
。“電”的傳播過程大致是這樣的:電路接通以前,金屬導(dǎo)線中雖然各處都有自由電子,但導(dǎo)線內(nèi)并無電場,整個導(dǎo)線處于靜電平衡狀態(tài),自由電子只做無規(guī)則的熱運動而沒有定向運動,當(dāng)然導(dǎo)線中也沒有電流。當(dāng)電路一接通,電場就會把場源變化的信息,以大約光速的速度傳播出去,使電路各處的導(dǎo)線中迅速建立起電場,電場推動當(dāng)?shù)氐淖杂呻娮幼銎七\動,形成電流。那種認(rèn)為開關(guān)接通后,自由電子從電源出發(fā),以漂移速度定向運動,到達電燈之后,燈才能亮,完全是一種誤解。
????? 如果導(dǎo)線中有交流電存在,則導(dǎo)線兩端必須存在著交變的電壓,導(dǎo)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(dǎo)線來回的往復(fù)的振動,振幅不大,但頻率很高。(就像搖頭似地,來回地?fù)u啊!)
電能是怎樣轉(zhuǎn)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(chǎn)生的。
轉(zhuǎn)換熱能:在運動過程中與負(fù)載中的其他(比如質(zhì)子)產(chǎn)生的碰撞,這樣使得產(chǎn)生振動,這樣就轉(zhuǎn)換成了熱能??? 雖然電子質(zhì)量非常小,分子動能也比較小 但是電子的數(shù)量龐大?? 它主要跟碰撞幾率有關(guān)(這就決定了電阻的大小) 轉(zhuǎn)化為光能:電子的能量轉(zhuǎn)移到一些容易躍遷的物質(zhì)中,是這些物質(zhì)處于激發(fā)態(tài),根據(jù)能量最低原理,能量越低越穩(wěn)定,那么它就必須向外界釋放能量,光能。電子的規(guī)律運動如果呈現(xiàn)環(huán)形的話, 則就會產(chǎn)生磁場,然后根據(jù)磁電效應(yīng)帶動其他負(fù)載,比如電機……之類的 ,這樣就轉(zhuǎn)換成動能。轉(zhuǎn)化為化學(xué)能:原電池的充電-電能通過補充電導(dǎo)液的陰陽離子,在電極上分解材料,實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。
電壓越大,電場越強,電子獲得的能量越大。
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通常情況下,其他金屬導(dǎo)體中電子的漂移速度也約為10-4米/秒這個數(shù)量級
金屬導(dǎo)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(dǎo)體中的自由電子在熱運動的基礎(chǔ)上,逆著電場方向產(chǎn)生一個附加的定向速度,這個速度的平均值,稱為漂移速度。
? 通常情況下,其他金屬導(dǎo)體中電子的漂移速度也約為10-4米/秒這個數(shù)量級。而金屬中自由電子的平均熱運動速度的大小為105米/秒數(shù)量級,可見自由電子在電場作用下的定向漂移速度遠(yuǎn)小于平均熱運動速度。
? 既然金屬導(dǎo)體中電子的漂移速度如此之小,為什么平常還說“電”的傳播速度非常快?誰都知道,在很遠(yuǎn)的地方把開關(guān)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(guān)后要等很久電燈才會亮。
? 其實這并不奇怪,平常說的“電”的傳播速度,不是導(dǎo)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米/秒。“電”的傳播過程大致是這樣的:電路接通以前,金屬導(dǎo)電子線中雖然各處都有自由電子,但導(dǎo)線內(nèi)并無電場,整個導(dǎo)線處于靜電平衡狀態(tài),自由只做無規(guī)則的熱運動而沒有定向運動,當(dāng)然導(dǎo)線中也沒有電流。當(dāng)電路一接通,電場就會把場源變化的信息,以大約3×108米/秒的速度傳播出去,使電路各處的導(dǎo)線中迅速建立起電場,電場推動當(dāng)?shù)氐淖杂呻娮幼銎七\動,形成電流。那種認(rèn)為開關(guān)接通后,自由電子從電源出發(fā),以漂移速度定向運動,到達電燈之后,燈才能亮,完全是一種誤解。
? 我們可以用一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(xué)生,排成直線隊形,隊首在展覽館門口,隊尾還在學(xué)校內(nèi);指揮隊伍的老師在校內(nèi),隊伍靜止不動,等候參觀。當(dāng)老師發(fā)布命令:“參觀開始!”命令以聲速V(約為332米/秒)沿隊伍傳播出去。而聽到命令的學(xué)生,則以某一慢得多的速度V′(約1米/秒)前進。當(dāng)聲音傳達到展覽館門口時,站在門口的學(xué)生就可以走進館內(nèi)參觀。假設(shè)學(xué)校到展覽館的距離為S米,命令傳達到館門口所用的時間t≈S/332秒,一個人從學(xué)校走到館門口要用的時間是T=S秒。這里,從發(fā)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(xué)校比作電源,展覽館比作用電器,教師發(fā)布命令相當(dāng)于開關(guān)接通電路,聲音傳播的速度相當(dāng)于電場的傳播速度,則人行進的速度相當(dāng)于電子沿導(dǎo)線定向移動的速度。這個過程和接通電源后,電場以光速沿導(dǎo)線傳播,電場傳到哪里,哪里的自由電子就開始定向移動的情況相似。接通電源后,電場傳到用電器的時間極短,所以接通電源后,可以認(rèn)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(xué)模型,可以形象、直觀地加深學(xué)生對這個問題的理解。
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