费米速度是多少？电流速度有多快？

最近几天陆续看到几篇关于当前速度的文章，看得眼花缭乱。今天，我就我所知道的谈谈我的看法。讨论“当前速度”的含义在讲电流速度之前，首先要明确电流的概念，因为对电流的不同理

最近几天陆续看到几篇关于当前速度的文章，看得眼花缭乱。今天，我就我所知道的谈谈我的看法。

讨论“当前速度”的含义

在讲电流速度之前，首先要明确电流的概念，因为对电流的不同理解恰恰是造成电流速度解释混乱的根本原因。

电流的定义是:“单位时间内通过导体任意截面的电量称为电流强度，简称电流”。

测量电流强度的安培计

你发现什么问题了吗？在“电流”的定义中，它是一种度量，表示有多少电流通过它，而不是物质运动的状态。按照这个定义，谈“流速”是不对的！

那么我们为什么要讨论电流的速度呢？这是因为我们认为电路中的能量取决于物质传递，既然物质传递能量，就有传递速度。所以这里的“流”已经偏离了它原本的物理定义，变成了“物质流”。

知道了这一点，我们对“当前速度”的讨论就可以变得有意义了。实际上，它希望揭示电传输的本质，理解电荷在介质中运动的过程。

电是如何“流动”的？

说到电流，很多人自然会想到水流。它们似乎有很多相似之处:水管类似电路，水压类似电压，水量类似电量，阀门类似开关，水流速度有点类似电流强度...那么，水管里的水和电路里的电子应该是一回事。

很多人会把电流等同于水流。

真的是这样吗？

在电路中，电荷通过载流子定向移动形成电流。在大多数情况下，电荷载体是电子、正离子或负离子(在电解质中)，或者电子和离子都参与。

通常金属导体中每个原子的外围都有电子绕着原子核运动，最外层的一些电子受到原子核静电力的束缚非常小。它们处于“走出去”的流浪状态，我们称之为自由电子。自由电子可以远离原子“自由移动”，电路中的大部分电能都是通过自由电子传输的。电子本身带负电荷，电流定义为正电荷的传输方向，所以电路中的电流方向与自由电子的“运动方向”相反。

DC电路中确定的电流方向与电子运动的方向相反。

一些绝缘体，如玻璃、橡胶等。，分子中只有极少量的自由电子，有的甚至没有自由电子，所以不导电，不能形成电流。空气体中的粒子之间距离很远，除非分解，否则很难形成电流。即使在金属导体内部，其自由电子也处于随机无序运动状态，不会形成电流。只有在导体两端施加电场，才能在电场的作用下产生电流。

空气体不导电，雷电是强电场击穿潮湿空气体产生的放电现象。

载流子漂移

当在导体两端施加电压时，在电场的作用下，导体内部的电荷载流子(自由电子)会沿一定方向运动，这种运动称为“载流子漂移”。

从“漂移”这个词，你就应该意识到航母可能移动不快。那么载体漂移有多快呢？这是一个很有意思的问题！

我们知道电子绕原子核运动的速度极快，通常可以接近光速；而那些在原子之间随机疾走的自由电子(在量子力学中，电子就是费米子)，它们以费米速度行进，也就是1570 km/s。

极快的运动速度使得电子在原子核周围形成“电子云”。

电流强度I =那曲

其中n是电路中的电荷载流子密度(每单位体积的带电粒子数)，a是电路的横截面积。已知一个电子的电荷量为Q =-1.6× 10库仑，电子流的速度为u。

我们假设线径为2 mm(半径为0.001m)的纯铜线电路中有1安培的电流，以此来计算电子在其中的速度。

导线的截面积A =π×(0.001米)2 = 3.14×10米

因为铜的密度是8.94克/厘米，其原子量是63.546克/摩尔，所以它是140，685.5摩尔/立方米..根据阿伏伽德罗常数，任何元素的一摩尔中有6.02× 10个原子。因此，大约1m的铜有8.5× 10个原子(6.02× 10× 140，685.5mol/m)。每个铜原子有一个自由电子，所以n= 8.5× 10个电子每立方米。

我们将上述参数代入公式以找到电子漂移速度:

电路中电子漂移速度的计算

结果是u=23μm/s，也就是说电子一个小时只走了83mm！是不是很惊喜？要知道蜗牛最快一小时能爬8米多，是电子漂移速度的100倍！

如果我们对这根线施加60Hz的交流电，在半个周期内电子漂移将小于0.2μm，然后在第二个半周期内它将再次漂移回来。换句话说，从你打开开关的那一刻起，流经开关中接触点的电子实际上永远不会离开开关，它将一直在那里晃来晃去，导线中的其他电子也是如此。

这和我们打开水龙头看到水喷出来的时候完全不一样！为什么我们几乎同时按下开关，电灯就亮了，而电子却几乎不离开原来的位置？

电流和水流没法比。

电流到底是多少？

如前所述，金属导体内部充满了大量的自由电子，这些电子通常以1570km/s的速度在金属晶格中乱窜，由于自由电子的运动方向不同，所以不会对外界表现出电流。

当我们在金属导体两端施加直流电时，在电场的作用下，这些自由电子被迫沿着电场力的方向撞击正端，从而形成电流。

电线中的载流子传输电磁波。金属丝就像一个长长的牛顿摇篮(牛顿摆)，里面的许多电子就是小球。当我们在导线两端施加电压时，电子会在电场的作用下被批量激发，然后电场能量会以电磁波的形式快速向前传输。虽然电子的运动很小，但是电磁波的速度就是光速。所以电路中所有的自由电子都会瞬间获得能量，从而形成电流，电流的强度与参与传输的电子数量有关。

牛顿的摇篮

你可能会问，既然电子传输电磁波，电磁波的速度就是光速，为什么电流的速度只是接近光速，而不是等于光速？

这是因为载波在传输电磁波的过程中有干扰波。几乎所有的金属导体都有电阻，电阻与金属的纯度有关，与金属晶体的晶格排列是否规则有关。当电磁波穿过晶格时，会受到不规则晶格的干扰，从而导致原子振动发热。这就是反抗。干扰的存在影响了电磁波的传播速度，以至于电流的速度只有光速的50%~99%。

摘要

电流是多少？它是电路中的载流子在电压的作用下对电场的传输。电场的速度接近电磁波的速度，所以电流的速度很快，接近光速。这就是为什么当我们按下开关时灯就亮了。

在电路中，负责传递电场能量的自由电子移动非常缓慢。与其说他们在漂流，不如说他们在慢慢移动。蜗牛爬得比电子快得多。在交流电路中，自由电子几乎是原地晃来晃去，不会向前移动半步。

蜗牛的漂移速度比电子快得多。

在没有电的情况下，电子运动得更快。自由电子的费米速度达到1570 km/s，那些围绕原子核运动的电子运动速度甚至超过光速。

所以我们把电路中的电流等同于水管中的水流是错误的。

你清楚了吗？