【物理揭秘】为什么千米外的电能瞬间供到家?

       为了理解每一种速度，以及它们为什么各不相同，但却在物理上有意义，我们需要了解电流的基本知识。金属导线中的电流是由自由电子定向移动形成的。在金属导线没有通电的情况下，自由电子可以被认为是组成金属导线的固定原子网格中跳动的小球。电子是真正的量子实体，但在今天的解释中不需要更精确的量子图景。(如果加上量子效应，单个电子的速度就变成了“费米速度”。)

       金属导线中的每个自由电子都在自身的动量作用下不断地沿直线飞行，并与原子碰撞，由于碰撞而改变方向，然后继续沿直线飞行，直到下一次碰撞。宏观上，我们称小颗粒的随机运动为“热能”。单个电子的实际速度是电子在两次碰撞之间沿直线运动时每秒移动的纳米量。一根导线本身不携带电信号，所以随机运动的单个电子速度只是描述了导线中的热量，而不是电流。

       现在，如果把导线连接到电池上，给导线施加了一个外电场。导线中的自由电子感受到来自电场的力，并向电场的方向加速（实际上是相反的方向，因为电子带负电荷）。同时电子继续与原子碰撞，导致它们向不同的方向反弹。但是在这个随机热运动的基础上，电子现在有了一个与电场方向相反的净有序运动。导线中的电流由电子运动的有序部分组成，而运动的随机部分仍然构成了导线中的热能。因此，施加的电场（如连接电池）会使电流沿导线流动。电子沿导线移动的平均速度就是我们所说的“漂移速度”。

       尽管电子以漂移速度沿导线向下漂移，这并不意味着电子运动的影响以这个速度传播。电子并不是真正的实心小球。它们之间的相互作用不是通过彼此碰撞来实现的。相反，电子通过电磁场相互作用。两个电子靠得越近，它们通过电磁场相互排斥的能力就越强。

       我们可以尝试计算一下，用于评估恒定横截面积材料中载流子漂移速度的公式由下式给出：

       其中u是电子的漂移速度，j是流过材料的电流密度，n是电荷载流子数密度，q是电荷载流子上的电荷。假设电流I = 1安培，直径为2mm（半径= 0.001米）的电线，按照上述公式计算，最终电子会以23μm/s的速率流动。在60Hz交流电流下，这意味着在半个周期内，电子漂移小于0.2μm。换句话说，流过开关中的接触点的电子将永远不会离开开关。

      当一个电子移动时，它的场也随之移动，这样在物理上到达与下一个电子相同的空间位置之前，这个电子就可以把另一个电子沿着导线推得更远。因此，电磁效应沿金属导线传播的速度比任何单个电子都要快得多。这种“效应”是电磁场的波动，因为它耦合电子并沿导线传播。由于能量和信息是由电磁场中的波动携带的，所以能量和信息沿电线传播的速度也比任何单个电子快得多。

       电磁效应沿导线传播的速度称为“信号速度”、“波速”或“群速度”。如果信号速度描述的是纯粹的电磁波效应，那么信号将以光速传播，但事实并非如此。相反，沿着电缆传播的信号涉及电磁场波动(波)和电子的相互作用。因此，信号速度比电子漂移速度快得多，但比真空中的光速慢得多。一般来说，在真空中信号速度接近光速。所以我们通常在按下开关的瞬间就可以看到电灯被点亮，哪怕这个开关设在很远的地方。

      下面我们举个例子。人们排着长队等着进测核酸，每个人都紧张地在他们排队的地方坐立不安。排在队伍末尾的人不耐烦了，就把前面的人推了一下。当队伍中的每个人都被身后的人推了一把时，他就会顺势把前面的人也推一把。因此，压力会从一个人传递到另一个人，通过这条线向前传递。但在最后一个排队的人到达核酸检测处之前，推挤的力早就到达了核酸检测处。在这个类比中，人代表电子，他们的手臂代表电磁场，而推力代表电磁场中的波动或波。每个人的速度代表了单个的电子速度，每个人通过这条线的速度代表了电子漂移速度，而推动通过这条线的速度代表了信号速度。根据这个简单的类比，我们说信号的速度非常快，个体的速度稍快，漂移速度较慢。

      金属导线中单个电子的速度通常是每小时几百万公里。相比之下，漂移速度通常只有几米每小时，而信号速度是一亿到一万亿公里每小时。一般情况下，信号速度与真空中的光速比较接近，单个电子速度比信号速度慢100倍左右，电子漂移速度慢如蜗牛。现在你明白了吗？