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自由电子在电场作用下的移动速度

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hd328329346|  楼主 | 2010-1-1 22:18 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
都知道电流的速度是光速,而电流是由电荷的定向移动产生的,那电子(荷)的速度也是光速吗?应该不是,不然三极管中的射级所含的高浓度载流子将在瞬间移到集级,既然这样,那电子的移动速度是多少呢?为什么电流的速度是光速?电子会从射级全部移到了集级?如果有,那还会有电流放大作用吗?
      自己都服了我自己,这种问题都能提出来,拜托了,各位。

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awey| | 2010-1-1 23:00 | 只看该作者
电流是因为电场而形成,电场的传播速度是光速,而电子流动的速度不是光速。

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HWM| | 2010-1-1 23:11 | 只看该作者
首先,电流的速度(或电子的速度)不是光速,一般小于光速很多。通常所说的光速是指电磁场(在真空中)所传播的速度。电子的移动速度通常是很慢的。如果要使它以近光速运动的话,不仅必须用高压对其加速,而且还必须提供一个高真空的环境才行。电子的平均移动速度其实是可以计算出来的,只要有相关的参数即可(如材料的自由电子密度,电流和截面积等)。
另外,电子的移动是个持续的过程,电源就是那个不断放出和收集电子的源头。

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chunyang| | 2010-1-2 14:35 | 只看该作者
首先要明确一个基本概念:任何具有静质量的物质都无法被加速到光速,包括电子。电流是电场激发产生的电荷定向运动的矢量和,因而电流速度不是光速,无静态质量的场的运动速度才是光速,包括电磁场(电场和磁场是电磁场的特殊表现形式)和引力场,光本身是电磁场。通电导体中电子(或其它载流子)移动的速度也不是电流速度,而是电流运动和热运动的矢量和,而热运动速度往往远大于电流速度,故可以认为导体中电子/载流子的平均速度仅仅由导体的温度决定,追究具体载流子的速度是无意义的,制约原则是“测不准原理”。电流速度是载流子运动矢量合成的结果,是一种宏观上的概率统计,跟施加在导体上的电场强度相关,所以可以计算。工程上,为简化计,往往忽略热运动,直接将载流子在电场中的定向运动矢量当作载流子的速度,因为热运动本身的矢量和为零(事实上在零附近还存在量子起伏,这是热噪声的根源),不影响计算结果,只是要注意其物理本质上并非如此。

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hd328329346|  楼主 | 2010-1-2 21:06 | 只看该作者
明白了一些问题。电流和电子的速度都不是光速,电流的速度是宏观上电子的速度,取决于电场强度。单个电子的速度是不定的,取决于温度。
那么在三极管放大电路中,射级的电子定向往集级移动,这时由谁来补充射级的电子浓度呢?去到集级的电子又流向何处呢? 是电源和地或者电路的其它部分吗

谢谢各位大虾的解答

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6
mbutterfly| | 2010-1-2 21:34 | 只看该作者
电流的速度感觉和水流的速度不是一个道理。应该不是电子多少时间跑多远的问题。电子应该是接力的

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maychang| | 2010-1-2 22:07 | 只看该作者
6楼还没有明白。
这句是错的:“电流的速度是宏观上电子的速度”。
电场传播的速度,在真空中是光速,在其它介质中是光在该介质中的速度(先不说传播速度与频率的关系即色散)。
打个比方:拧开水龙头,水就流出来。水流的速度并不大,但很快整根管子里的水都开始流动。水流动传播的速度就是声音在水中传播的速度。也就是说,开水龙头瞬间,自来水厂那里的水还没有开始流动。开水龙头这一“扰动”即声音沿管道中的水传播到何处,何处的水就开始流动。这个“传播”的速度比水流的速度大得多。
导线中的电流也是一样。

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chunyang| | 2010-1-3 16:06 | 只看该作者
在任何一个闭合电气回路中,电子都是循环流动的。

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hd328329346|  楼主 | 2010-1-3 22:22 | 只看该作者
6楼还没有明白。
这句是错的:“电流的速度是宏观上电子的速度”。
电场传播的速度,在真空中是光速,在其它介质中是光在该介质中的速度(先不说传播速度与频率的关系即色散)。
打个比方:拧开水龙头,水就流出来。水 ...
maychang 发表于 2010-1-2 22:07

这么说水流“传播”的速度是一个定值,即声音在水中传播的速度,与别的因素(水分子的速度)无关。如果是,那按照水流的观点来解释电流的话,chunyang的这句话该怎么理解:电流速度是载流子运动矢量合成的结果,跟施加在导体上的电场强度相关。

还请解释一下电流的(“传播”)速度与介质、电场、电子的具体关系。
另外,电子定向移动的速度与水流流动的速度能不能类似?

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HWM| | 2010-1-3 22:52 | 只看该作者
最好别用类似“水流”之类的东西比喻电的特性,这会产生疑义,如水管外没有“水场”等。

在金属或导体中的自由电子,如果没有外加电场的话,其自身会有无规则的运动。其运动速度的矢量和为零(统计意义)。但若加上一个外电场后,自由电子的运动速度的矢量和就将不再为零,会在电场的反方向上形成非零的平均速度。

场的传播速度可以用一个理想实验说明之:
设想有一个点电荷,在其周围有由此电荷激励所形成的电场。如果移动点电荷,其周围的电场也会发生变化。但这个变化过程是由点电荷向外扩展的(象一个不断增大的同心球)。如果在真空中,这个扩展速度就是光速。

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chunyang| | 2010-1-3 22:54 | 只看该作者
二者是类似的,首先忽略热运动,其与结果无关,可以约去。假设电子开始是静止的,然后通电,带电粒子在电场中自然会受力,于是开始运动,在运动的过程中电磁力最终与阻力平衡,这时可认为电子在观察点处于匀速直线运动态(电子的尺度和导体的尺度相比,可以认为导体已经足够大,电子的运动故而是匀速直线的,但仅对观察点,这是微分的结果)。导体介质的性质决定了阻力,电场强度决定了电磁推力的大小,于是可以计算,只是不是直接用运动定律,而是用导出公式,具体公式为v=I/nqS,I是电流值,n为载流子密度,q为载流子电量、S为v处的导体截面积。

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hd328329346|  楼主 | 2010-1-3 23:22 | 只看该作者
导体介质的性质决定了阻力,电场强度决定了电磁推力的大小,于是可以计算,只是不是直接用运动定律,而是用导出公式,具体公式为v=I/nqS,I是电流值,n为载流子密度,q为载流子电量、S为v处的导体截面积。
chunyang 发表于 2010-1-3 22:54 [/quote]
1、导体介质的性质决定了阻力,电场强度决定了电磁推力的大小。对于相同的导体介质,不同的电场强度,电子如何能进行所谓的匀速运动呢?
2、v=I/nqS,I是电流值,n为载流子密度,q为载流子电量、S为v处的导体截面积。电子速度公式怎么没跟上面两个量挂钩啊,是导出的?

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HWM| | 2010-1-3 23:42 | 只看该作者
本帖最后由 HWM 于 2010-1-3 23:56 编辑

1、导体介质的性质决定了阻力,电场强度决定了电磁推力的大小。对于相同的导体介质,不同的电场强度,电子如何能进行所谓的匀速运动呢?

按照经典(非量子)的解释,所谓阻力就是导体原子所排列成的晶格对电子运动的阻扰(如碰撞)。而所谓“匀速”也是“经典”解释,认为电子在两次碰撞中没有外力的作用下,按匀速运动。当若有外电场的情况下,将不再是匀速的了,其间为加速运动。只是电子碰撞了以后,动能传给了原子晶格,速度降了下来,然后再加速。这样一来,平均来看,电子以某一特定速度运动。此速度取决于导体性质和外电场强度。

2、v=I/nqS,I是电流值,n为载流子密度,q为载流子电量、S为v处的导体截面积。电子速度公式怎么没跟上面两个量挂钩啊,是导出的?

I就和阻力有关。此式自然是推出来的,而且是非常简单地推出来的。

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chunyang| | 2010-1-4 12:59 | 只看该作者
呵呵,想起一个笑话中的片段:小样!穿件马甲我就不认识你了?
那么谁是那两个量的马甲?I。
伟大、光荣、正确的欧姆老爷子教导我们:I=U/R,U是什么,跟谁是直接相关量?R又是什么?该明白了吧……

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hd328329346|  楼主 | 2010-1-4 22:59 | 只看该作者
呵呵 。。。 明白了~
一些收获
1、电子速度方面的一些知识及公式:v=I/nqS(忽略热运动)
2、电子的来龙去脉  电子的移动是个持续的过程,电源就是那个不断放出和收集电子的源头。
                    在任何一个闭合电气回路中,电子都是循环流动的。
但对于电流还不太明白,经maychang一说,只明白水流的传播速度是声音在水中的速度,但电流呢?是电场在导体的速度?结合这句话改怎么解释啊:电流速度是载流子运动矢量合成的结果,跟施加在导体上的电场强度相关。
继续期待~:lol

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chunyang| | 2010-1-5 13:15 | 只看该作者
电流速度是电流速度,电场速度是电场速度,二者无关,是各自独立的量,只是很多人混淆了二者。
前面我提供的计算公式就是电流速度,在假设电子无热运动时电子的运动速度就是电流速度,实际电子的速度是热运动和在电场中的定向移动速度的矢量和,只是大量电子的热运动从时间积分的角度看是相互抵消的。

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hd328329346|  楼主 | 2010-1-5 22:04 | 只看该作者
恩  谢谢各位大虾,对所提的问题已经基本清楚了~
深层的理论还挺有意思啊,希望以后有机会能研究研究

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