自由电子在电场作用下的移动速度

发表于 2010-1-1 22:18

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。

发表于 2010-1-1 23:00

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。

发表于 2010-1-1 23:11

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。

发表于 2010-1-2 14:35

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。

发表于 2010-1-2 21:06

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

发表于 2010-1-2 21:34

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

发表于 2010-1-2 22:07

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。

发表于 2010-1-3 16:06

在任何一个闭合电气回路中，电子都是循环流动的。

发表于 2010-1-3 22:22

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？

发表于 2010-1-3 22:52

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。

发表于 2010-1-3 22:54

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。

发表于 2010-1-3 23:22

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

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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？

发表于 2010-1-3 23:42

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。

发表于 2010-1-4 12:59

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……

发表于 2010-1-4 22:59

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

发表于 2010-1-5 13:15

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。

发表于 2010-1-5 22:04

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

自由电子在电场作用下的移动速度

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