电流到底有多快？

电流的定义是：“单位韶光里通过导体任一横截面的电量叫做电流强度，简称电流”。

一个电流表，用于丈量电流强度

有没有创造什么问题？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“电流的速率”本身便是错的！

那么我们为什么要谈论电流的速率？这是由于我们认为在电路能量是依赖物质通报的，既然物质通报能量，就存在一个通报速率。
以是，这里的“电流”已经分开了其原来的物理学定义，变成一种“物质流”了。

明白了这一点，我们对“电流速率”的谈论才能变得故意义起来。
它实际上希望揭示的是电通报的实质，以及理解电荷在介质中运动的过程。

说到电流，许多人会自然遐想到水流，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，而水流速率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该当是一回事了。

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形下是电子，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。

常日，在金属导体中的每一个原子外围都有电子环绕着原子核运动，个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。
自由电子可以分开原子“自由移动”，电路中的电能大部分是通过自由电子通报的。
电子本身携带负电荷，电流的定义是正电荷的通报方向，因此电路中电流方向与自由电子的“运动方向”相反。

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，有些乃至没有自由电子，以是它们不导电，无法形成电流。
空气中的粒子彼此相距迢遥，除非击穿，否则也很难形成电流。
纵然是金属导体内部，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，在电场的浸染下才会有电流产生。

空气不导电，闪电是强电场击穿湿润空气造成的放电征象

当在导体两端施加电压，在电场的浸染下，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，你该当意识到，载流子的运动速率可能烦懑。
那么载流子漂移的速率到底有多少呢？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率是极快的，它常日能靠近于光速；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），它们因此费米速率传播的，这个费米流速是1570公里/秒。

极快的运动速率使电子在原子核周围形成“电子云”

电流强度 I=nAqu

个中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=-1.610⁻⁹库伦，电子流动的速率为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，以此打算电子在个中的速率。

导线的横截面积A=(0.001m)2=3.1410⁻⁶m

由于铜的密度为8.94g/cm，其原子量为63.546g/mol，以是有140685.5mol/m。
按照阿伏伽德罗常量，在一摩尔的任何元素中都存在6.0210个原子。
因此，1m旁边的铜有8.510⁸个原子（6.02 10140685.5mol/m）。
每个铜原子有一个自由电子，因此 n=每立方米8.510⁸个电子。

我们将上述参数代入公式求电子漂移速率：

电路中电子漂移速率打算

结果是u=23m/s ，也便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，它是电子漂移速率的100倍！

如果我们给这条电线通的是60Hz互换电，在半个周期内电子漂移小于0.2m，然后不才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，流过开关中打仗点的电子实际上永久不会离开开关，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备是两回事！
为什么我们在按下开关的险些同时，电灯就能亮，而电子又险些没有离开它原来的位置呢？

不能将电流与水流比较

前面先容过，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/秒的速率在金属晶格里乱窜，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，在电场的浸染下，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。

导线中载流子们通报的是电磁波。
金属导线就像是一个长长的牛顿摇篮（牛顿摆），个中浩瀚的电子便是那一颗颗小球，当我们在导线两端施加电压，电子会在电场的浸染下被批量引发，然后迅速将电场能量以电磁波的办法向前通报。
只管电子本身移动的幅度很小，但电磁波通报的速率是光速。
因此电路中所有的自由电子会瞬间得到能量，从而形成电流，电流的强度与参与通报电子的数量干系。

牛顿摆

你可能会问，既然电子通报的是电磁波，电磁波的速率是光速，为什么电流的速率只是靠近光速而非即是光速呢？

这是由于载流子在通报电磁波的过程中存在滋扰波。
险些所有的金属导体都存在电阻，这与金属的纯度以及金属晶体的晶格是否排列规则干系。
当电磁波穿过晶格时，它会被不规则的晶格滋扰，从而使原子产生振动而发热，这便是电阻。
滋扰波的存在使电磁波通报的速率受到影响，从而使电流的速率只相称于光速的50%~99%。

电流是什么？它是电路中载流子在电压浸染下对电场的通报。
电场通报的速率靠近于电磁波的速率，因此电流的速率非常快，它靠近光速。
这也便是为什么电灯会在我们按下开关的同时亮起来。

在电路中卖力通报电场能量的自由电子运动速率极慢，与其说它们是在漂移，不如说它们在缓慢地挪动更得当，蜗牛爬行的速率比电子移动的速率要快多了。
而在互换电路中，自由电子险些便是在原地晃来晃去，它们不会提高半步。

蜗牛比电子漂移的速率快多了

在没有通电的情形下，电子运动的速率反倒要快得多。
自由电子的费米流速达到1570公里/秒，那些环绕着原子核运动的电子，其运动速率更是靠近光速。

因此，我们将电路中的电流与水管中的水流对等起来理解是缺点的。

你明白了吗？