题目

自由电子在金属中的速度

提问时间：2020-08-02

答案

通常情况下,其他金属导体中电子的漂移速度也约为10－4米／秒这个数量级
金属导电的原因,是其中存在着可以自由移动的电子.在电场的作用下,导体中的自由电子在热运动的基础上,逆着电场方向产生一个附加的定向速度,这个速度的平均值,称为漂移速度.
通常情况下,其他金属导体中电子的漂移速度也约为10－4米／秒这个数量级.而金属中自由电子的平均热运动速度的大小为105米／秒数量级,可见自由电子在电场作用下的定向漂移速度远小于平均热运动速度.
既然金属导体中电子的漂移速度如此之小,为什么平常还说“电”的传播速度非常快?谁都知道,在很远的地方把开关接通,它所控制的电灯就会立刻亮了起来,若按估计出的电子漂移速度的大小,似乎接通开关后要等很久电灯才会亮.
其实这并不奇怪,平常说的“电”的传播速度,不是导体中电子的漂移速度,而是电场的传播速度.电场的传播速度非常快,在真空中,这个速度的大小约为3×108米／秒.“电”的传播过程大致是这样的：电路接通以前,金属导电子线中虽然各处都有自由电子,但导线内并无电场,整个导线处于静电平衡状态,自由只做无规则的热运动而没有定向运动,当然导线中也没有电流.当电路一接通,电场就会把场源变化的信息,以大约3×108米／秒的速度传播出去,使电路各处的导线中迅速建立起电场,电场推动当地的自由电子做漂移运动,形成电流.那种认为开关接通后,自由电子从电源出发,以漂移速度定向运动,到达电灯之后,灯才能亮,完全是一种误解.
我们可以用一个形象的比喻来说明以上的道理.一队将要进入展览馆参观的学生,排成直线队形,队首在展览馆门口,队尾还在学校内；指挥队伍的老师在校内,队伍静止不动,等候参观.当老师发布命令：“参观开始!”命令以声速V（约为332米／秒）沿队伍传播出去.而听到命令的学生,则以某一慢得多的速度V′（约1米／秒）前进.当声音传达到展览馆门口时,站在门口的学生就可以走进馆内参观.假设学校到展览馆的距离为S米,命令传达到馆门口所用的时间t≈S／332秒,一个人从学校走到馆门口要用的时间是T＝S秒.这里,从发出命令到开始有人进入展览馆的时间是t,而不是T.如果把学校比作电源,展览馆比作用电器,教师发布命令相当于开关接通电路,声音传播的速度相当于电场的传播速度,则人行进的速度相当于电子沿导线定向移动的速度.这个过程和接通电源后,电场以光速沿导线传播,电场传到哪里,哪里的自由电子就开始定向移动的情况相似.接通电源后,电场传到用电器的时间极短,所以接通电源后,可以认为电流立即传到用电器,使其开始工作.我们所用的这个力学模型,可以形象、直观地加深学生对这个问题的理解.