为什么电流是光速,电流传递速度真的有光速吗

在日常生活中，我们可以明显地感觉到电的传播速度非常快，一个最常见的例子就是，当我们在使用电灯时，电灯泡总是会在我们按下开关的一瞬间就亮起，以至于我们根本就感觉不到任何延迟。

假如你对电流的传播速度产生过好奇并进行了相关查询，那么不出意外的话，你得到的答案就是——光速。

物理老师告诉我们，导体中的电流其实就是大量的自由电子做有规则的定向运动所形成的，而根据相对论，任何具有静止质量的物体的速度都不可能达到光速，由于电子是具有静止质量的，因此电子的速度也不可能达到光速。

这就很容易令人产生疑惑：既然电子不可能达到光速，那为何电子形成的电流却能以光速传播呢？为了说明这个问题，我们不妨来看图说话。

上图是一个非常简单的电路图，由电源、开关、灯泡以及连接它们的导线构成，只要我们操作开关使这个电路处于闭合状态，灯泡就会亮起。

有一种常见的错误观点认为，在这个电路中的开关闭合时，电源就会发送大量的电子出来，而当这些电子沿着导线抵达灯泡时，灯泡才会亮起。为什么说这种观点是错误的呢？因为实际情况其实是下图这个样子的。

如上图所示，在开关断开的状态下，电路中其实充满了自由电子，而在开关闭合的状态下，整个电路中的自由电子则会一起运动，在这个过程中，电源的负极会源源不断地发送出电子，与此同时，电源的正极又会持续“回收”电路中的电子，而在开关闭合的瞬间，使灯泡亮起的其实是它附近的电子，而从电源发送出来的电子在此时并没有抵达灯泡。

由此可见，电流的传播速度并不是电路中的自由电子的运动速度，那会是什么呢？

想象一个场景，在我们在上体育课时，当我们听到体育老师发出“齐步走”的口令时，就会前进，而当我们听到体育老师发出“立定”的口令时，则会停止。与之类似的是，其实电路中的电子也是在遵从一个“口令”的指挥，而电流的传播速度，其实就是这个“口令”的传播速度。

实际上，电路中的“口令”其实就是电场，尽管电场并不像通常的物质那样由分子、原子等微观粒子组成，但电场却是客观存在的，因为电场具备了通常物质所具备的能量和力等客观属性，当电荷被置入电场中时，电场就会对其产生一种被称为“电场力”的作用力，进而使电荷具备定向移动的趋势。

根据现代物理学的描述，电场的建立速度和传播速度都是光速，据此我们就可以得出，当电路中的开关闭合时，电源所建立的电场就会在电路中以光速传播，其所到之处，导线中的自由电子就会立刻开始定向移动，在这个过程中，电流的传播速度其实并不是电子的运动速度，而应该是电场的建立和传播速度，也就是光速。

因此可以说，“电子的速度不可能达到光速”与“电流能以光速传播”并不冲突。看到这里，相信大家会比较好奇，在形成电流的时候，导体中的自由电子真正的运动速度有多快呢？我们接着看。

在形成电流的时候，导体中的自由电子其实有两种运动速度，一种是无规则的热运动速度，其速度的数量级一般在每秒10^3米至每秒10^5米之间，另一种则是自由电子在“电场力”作用下的定向运动速度，这被称为“飘移速度”，与热运动速度相比，电子的平均飘移速度可以说是异常缓慢，我们可以通过一个具体的例子来加以说明。

首先来简单复习一下物理知识：1安培的电流每秒输运的电量为1库仑，1库仑则与6.24 x 10^18个电子的电荷总量相当。

好的，现在我们进入正题，已知铜原子的直径为2.55 x 10^(-10）米，所以对于一根直径为1毫米的铜导线来讲，其横截面大概就可以排下1.54 x 10^13个铜原子，我们假设每个铜原子都有一个电子能自由运动，那么1安培的电流每一秒让这些自由电子移动的平均距离，就相当于大约40.5万个铜原子直径，换算下来就是大约0.1毫米（0.000103275米）。

也就是说，当一根直径为1毫米的铜导线通过1安培的电流时，导线内自由电子的平均飘移速度大概只有每秒钟0.1毫米，毫不夸张地讲，蜗牛的速度都比这快得多。

好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见。

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既然电子不可能达到光速，那为什么电子形成的电流却能以光速传播？

为了说明这个问题，我们不妨来看图说话。

上图是一个非常简单的电路图，由电源、开关、灯泡以及连接它们的导线构成，只要我们操作开关使这个电路处于闭合状态，灯泡就会亮起。

有一种常见的错误观点认为，在这个电路中的开关闭合时，电源就会发送大量的电子出来，而当这些电子沿着导线抵达灯泡时，灯泡才会亮起。为什么说这种观点是错误的呢？因为实际情况其实是下图这个样子的。

如上图所示，在开关断开的状态下，电路中其实充满了自由电子，而在开关闭合的状态下，整个电路中的自由电子则会一起运动，在这个过程中，电源的负极会源源不断地发送出电子，与此同时，电源的正极又会持续“回收”电路中的电子，而在开关闭合的瞬间，使灯泡亮起的其实是它附近的电子，而从电源发送出来的电子在此时并没有抵达灯泡。

由此可见，电流的传播速度并不是电路中的自由电子的运动速度，那会是什么呢？

想象一个场景，在我们在上体育课时，当我们听到体育老师发出“齐步走”的口令时，就会前进，而当我们听到体育老师发出“立定”的口令时，则会停止。与之类似的是，其实电路中的电子也是在遵从一个“口令”的指挥，而电流的传播速度，其实就是这个“口令”的传播速度。

实际上，电路中的“口令”其实就是电场，尽管电场并不像通常的物质那样由分子、原子等微观粒子组成，但电场却是客观存在的，因为电场具备了通常物质所具备的能量和力等客观属性，当电荷被置入电场中时，电场就会对其产生一种被称为“电场力”的作用力，进而使电荷具备定向移动的趋势。

根据现代物理学的描述，电场的建立速度和传播速度都是光速，据此我们就可以得出，当电路中的开关闭合时，电源所建立的电场就会在电路中以光速传播，其所到之处，导线中的自由电子就会立刻开始定向移动，在这个过程中，电流的传播速度其实并不是电子的运动速度，而应该是电场的建立和传播速度，也就是光速。

因此可以说，“电子的速度不可能达到光速”与“电流能以光速传播”并不冲突。那么在形成电流的时候，导体中的自由电子真正的运动速度有多快呢？我们接着看。

在形成电流的时候，导体中的自由电子其实有两种运动速度，一种是无规则的热运动速度，其速度的数量级一般在每秒10^3米至每秒10^5米之间，另一种则是自由电子在“电场力”作用下的定向运动速度，这被称为“飘移速度”，与热运动速度相比，电子的平均飘移速度可以说是异常缓慢，我们可以通过一个具体的例子来加以说明。

首先来简单复习一下物理知识：1安培的电流每秒输运的电量为1库仑，1库仑则与6.24 x 10^18个电子的电荷总量相当。

好的，现在我们进入正题，已知铜原子的直径为2.55 x 10^(-10）米，所以对于一根直径为1毫米的铜导线来讲，其横截面大概就可以排下1.54 x 10^13个铜原子，我们假设每个铜原子都有一个电子能自由运动，那么1安培的电流每一秒让这些自由电子移动的平均距离，就相当于大约40.5万个铜原子直径，换算下来就是大约0.1毫米（0.000103275米）。

也就是说，当一根直径为1毫米的铜导线通过1安培的电流时，导线内自由电子的平均飘移速度大概只有每秒钟0.1毫米，毫不夸张地讲，蜗牛的速度都比这快得多。

既然电子达不到光速，那电流的传导速度为啥是光速？

夜幕降临时，我们通常都会随手打开房间里的电灯，每当这个时候，我们都可以见识一次电流的传导速度，只要我们按下电灯的开关，不管电灯距离开关的距离有多远，它都会在一瞬间发出光明。那么电流的传导速度到底有多快呢？答案就是光速。

我们都知道，电流是电子的定向移动产生的，而电子虽然很小，但是还是有质量的，现在的科学家们已经计算出了电子的质量为9.10956 x 10^-31 千克。著名的科学家爱因斯坦曾经提出一条物理学的铁律，即凡是有质量的物质都不可能达到光速，迄今为止，这一铁律都未曾被打破过。

很显然，既然电子有质量，那么电子的速度就不能达到光速。事实上也是这样，现代的粒子加速器可以将电子加速到光速的99.99%以上，但就是没办法将电子加速到光速。

现在就有了一个问题：既然电子的速度不能达到光速，那为何电流的传导速度却是光速？

上图是一张超级简单的电路图，我们不用亲自去做这个实验都可以知道，只要将电路中的开关闭合，电路中的灯马上就会亮。关于这个实验，可能会让人产生一个认知，那就是当从电源出发的电子通过灯时，灯就亮了，但实际上却不是这样。

要产生电流，就必须有一个闭合的通路，对于上述的这种电路，我们可以简单地认为，当开关闭合时，电子不停地从电源的负极出发，与此同时，电路中的电子又不停地回到电源的正极。值得注意的是，在这个过程中，并不是电源发出的电子在单独行动，而是整个电路的电子几乎同时在行动。

为了方便理解，我们可以将这个电路想象成一个密封的、充满了水的管道，其中电源相当于一个持续的加压装置，而电子就相当于管道里的水，显而易见的是，当开关闭合时，管道里所有的水都会在加压装置的作用下一起运动。

于是我们可以清楚地了解到，真正让这个电路中的灯发光的，并不是电源发出的电子，而是在它附近的电子。也就是说，当灯发光的时候，电源发出的电子其实还在赶来的路上。

那到底是什么在驱动电路中的电子移动的呢？答案就是电场力。电场是一种客观存在的特殊物质，它会对所有处于其中的电荷产生作用力，这个力就是电场力。需要指出的是，根据现代物理学的描述，电场的传播速度就是光速。

有了以上的认识，我们就可以给出“电子的速度不能达到光速，那为何电流的传导速度却是光速”这个问题的答案了。当电路的开关闭合时，电源就会以光速在整个电路中建立起电场，在电场力的驱动下，电路中所有的电子都会一起移动，从而形成电流。所谓的“电流的传导速度”，其实指的就是电场的传播速度，那么它当然就是光速了。

可能大家都会很好奇，电路中电子的真正移动速度到底有多快，事实上，这个速度可能比大家想象中要慢得多。电路中电子的移动速度是可以通过相关公式计算出来的，考虑到篇幅问题以及计算过程的无聊，这里只讲结果：理想情况下，当强度为1A的电流通过一根直径为1毫米的标准铜导线时，这根铜导线内的电子移动速度仅为每秒钟0.1毫米。