最近几日接连看到几篇谈电流速度的文章,看得眼花缭乱,今天就我了解的知识谈一谈我的观点 。
讨论“电流速度”的意义
在谈电流速度之前,我们首先要厘清一下电流的概念,因为对电流的不同理解,恰恰是对电流速度混乱解释的根本原因所在 。
电流的定义是:“单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做电流强度,简称电流” 。

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一个电流表,用于测量电流强度
有没有发现什么问题?在“电流”的定义中,它是一种度量,表示的是通过电量的多少,而不是物质运动的状态 。 按照这个定义,谈“电流的速度”本身就是错的!
那么我们为什么要讨论电流的速度?这是因为我们认为在电路能量是依赖物质传递的,既然物质传递能量,就存在一个传递速度 。 所以,这里的“电流”已经脱离了其原本的物理学定义,变成一种“物质流”了 。
明白了这一点,我们对“电流速度”的讨论才能变得有意义起来 。 它实际上希望揭示的是电传递的本质,以及了解电荷在介质中运动的过程 。
电是怎么“流动”的?
说到电流,许多人会自然联想到水流,它们看起来有许多近似的地方:水管类似于电路,水压类似于电压,水量类似电量,阀门像开关,而水流速度与电流强度也有一点相像……那么,水管中的水跟电路中的电子应该是一回事了 。

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许多人会将电流与水流对等加以理解
事实果真如此吗?
在电路中,电荷通过电荷载流子定向移动才形成电流 。 电荷载流子大多数情况下是电子,也可以是带正电或带负电的离子(在电解质中),又或者同时有电子和离子参与 。
通常,在金属导体中的每一个原子外围都有电子围绕着原子核运动,其中有些最外层电子受原子核静电力的束缚很小,它们处于“将在外”的游荡状态,我们称之为自由电子 。 自由电子可以脱离原子“自由移动”,电路中的电能大部分是通过自由电子传递的 。 电子本身携带负电荷,电流的定义是正电荷的传递方向,因此电路中电流方向与自由电子的“运动方向”相反 。

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直流电路中电流的定义方向与电子运动方向相反
有些绝缘体,比如玻璃、橡胶等等,它们的分子中只有极少量的自由电子,有些甚至没有自由电子,所以它们不导电,无法形成电流 。 空气中的粒子彼此相距遥远,除非击穿,否则也很难形成电流 。 即使是金属导体内部,它们的自由电子处于随机无序的运动状态,也不会形成电流 。 只有在导体两端施加电场,在电场的作用下才会有电流产生 。

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空气不导电,闪电是强电场击穿潮湿空气造成的放电现象
【费米速度是多少?电流速度有多快?】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 。
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