电流对导体有力的作用,导体的电阻越对于电流的阻碍越大

首页 > 经验 > 作者:YD1662022-11-13 23:02:04

空气不导电,闪电是强电场击穿潮湿空气造成的放电现象

载流子的漂移

当在导体两端施加电压,在电场的作用下,导体内部的电荷载流子(自由电子)会沿着一定的方向发生运动,这种运动被称为“载流子漂移”

从“漂移”这个字眼,你应该意识到,载流子的运动速度可能不快。那么载流子漂移的速度到底有多少呢?这是一个非常有趣的问题!

我们知道电子绕原子核运动的速度是极快的,它通常能接近于光速;而那些平时在原子之间随机乱窜的自由电子们(在量子力学里,电子是一种费米子),它们是以费米速度传播的,这个费米流速是1570公里/秒

电流对导体有力的作用,导体的电阻越对于电流的阻碍越大(5)

极快的运动速度使电子在原子核周围形成“电子云”

电流强度 I=nAqu

其中n为电路中电荷载流子密度(每单位体积带电粒子数),A为电路横截面积,已知一个电子的电荷量是 q=-1.6×10⁻¹⁹库伦,电子流动的速度为u。

我们假设在一个电线直径为2毫米(半径为0.001m)的纯铜导线电路中有1安培电流,以此计算电子在其中的速度。

导线的横截面积A=π×(0.001m)2=3.14×10⁻⁶m²

由于铜的密度为8.94g/cm³,其原子量为63.546g/mol,所以有140685.5mol/m³。按照阿伏伽德罗常量,在一摩尔的任何元素中都存在6.02×10²³个原子。因此,1m³左右的铜有8.5×10²⁸个原子(6.02 × 10²³×140685.5mol/m³)。每个铜原子有一个自由电子,因此 n=每立方米8.5×10²⁸个电子。

我们将上述参数代入公式求电子漂移速度:

电流对导体有力的作用,导体的电阻越对于电流的阻碍越大(6)

电路中电子漂移速度计算

结果是u=23μm/s ,也就是说一小时电子才走了83毫米!是不是很惊喜?要知道蜗牛一小时最快可以爬8米多,它是电子漂移速度的100倍!

如果我们给这条电线通的是60Hz交流电,在半个周期内电子漂移小于0.2μm,然后在下半个周期它会再往回漂。换句话说,从你打开开关的那一刻起,流过开关中接触点的电子实际上永远不会离开开关,它始终在那里晃来晃去,导线中其它的电子也是一样地晃来晃去。

这与我们拧开水龙头看到哗哗哗地出水完全是两回事!为什么我们在按下开关的几乎同时,电灯就能亮,而电子又几乎没有离开它原来的位置呢?

电流对导体有力的作用,导体的电阻越对于电流的阻碍越大(7)

不能将电流与水流相比

电流到底是什么?

前面介绍过,在金属导体的内部充斥着大量自由电子,它们平时以1570公里/秒的速度在金属晶格里乱窜,由于自由电子们运动的方向不一致,因此对外不会显示出电流。

当我们在金属导体的两端通上直流电,在电场的作用下,这些自由电子沿着电场力的方向被迫向正端子冲击,从而形成电流。

导线中载流子们传递的是电磁波。金属导线就像是一个长长的牛顿摇篮(牛顿摆),其中众多的电子就是那一颗颗小球,当我们在导线两端施加电压,电子会在电场的作用下被批量激发,然后迅速将电场能量以电磁波的方式向前传递。尽管电子本身移动的幅度很小,但电磁波传递的速度是光速。因此电路中所有的自由电子会瞬间获得能量,从而形成电流,电流的强度与参与传递电子的数量相关。

电流对导体有力的作用,导体的电阻越对于电流的阻碍越大(8)

上一页123下一页

栏目热文

文档排行

本站推荐

Copyright © 2018 - 2021 www.yd166.com., All Rights Reserved.