电流流过多快？

我不时对电的低级物理学感到困惑。出现在“ 电路以哪种方式为电路供电 ”，我还没有完全理解。

电流流过多快？电子的速度在电阻器中与在导线中是否不同？有关系吗？还是电子的作用是唯一重要的事情，而较低的抽象水平在实践中没有用？

我知道已经有关于该主题的材料，并且我已经阅读了其中的一些材料。我认为在此网站上提出该问题可能会激发一些古老问题的有趣答案。

奖励积分：

• 识别并消除常见的误解
• 以高中文凭的人可以理解的方式进行说明，而不必过于简化以至于它不正确

电流流过多快？这是一个很好的问题，因为它看起来很简单，但通常表明存在一些潜在的误解。回答这个问题的第一个困难是知道什么是电？你的意思是：

1. 电场变化传播的速度有多快？要么...
2. 电荷载流子能移动多快？

通常，问这个问题的人实际上在乎前者，但在考虑后者。但是，由于对差异没有清晰的了解，因此，如果不退后一步并解决导致问题的潜在误解，就无法解决他们的根本担忧。

可以理解的是：有力量，有传递力量的事物，它们不是同一件事。这是一个示例：我握住一根绳子的一端，而您握住另一端。当我想引起您的注意时，我用力拉绳。有绳子，有拖轮。拖船以力波的形式沿绳索中的声速行进。绳索本身将以其他速度移动。

假设我有两个look望塔，当我看到即将来临的入侵者时，我大喊大叫到另一个塔楼。声音将以声波的形式在空中传播。空气中的分子移动速度有多快？你关心？

某些人直到真正解释了分子的运动后才放手，尽管这通常与他们的担忧无关。答案是：分子一直在所有随机方向上飞行。它们飞来飞去是因为它们的温度非零。有些非常快。有些很慢。他们一直在碰碰碰碰。这是非常随机的。

当您大喊时，您的声道会压缩一些空气（以及稀有的声音，因为您的声带会振动）。该压缩区域中的分子想要移动到压力较小的区域，因此它们确实这样做。但是现在此附近区域的空气过多，并且压缩程度比周围的空气略多，因此压缩区域向外扩展了一些。压缩波以声速在空气中移动。

所有这些都叠加在前面提到的分子的随机运动上。声道中相同的分子不太可​​能会在听者的耳朵中振动。如果观察单个分子，您将观察到它们向各个方向移动。只有观察到很多，您才会注意到一个方向上的运动方向要多于另一个方向。对于所有我们都称为“声音”的事物，确实是由于热噪声引起的分子随机运动远大于由于声音引起的运动。当“声音”成为更相关的运动时，我们倾向于将其称为“声音”而不是“爆炸”。

用电情况没有太大不同。金属导体中充满了电子，它们可以自由地在整个电路中自由地在随机方向上徘徊，而这样做的确是因为它们很温暖。我们电路中的事物在这片电子海洋中产生波，这些波以光速¹传播。在电路中通常遇到的电流下，大多数电子运动是由于热噪声引起的。

现在，我们可以回答以下问题：

电场变化传播的速度有多快？它们以光的速度在它们正在传播的介质中传播。对于大多数电缆，这大约是真空中光速的60％至90％。

电荷载流子能移动多快？单个电荷载流子的速度是随机的。如果取所有这些速度的平均值，则可以获得的速度取决于电荷载流子密度，电流，导体的横截面积，并且在铜线中通常小于每秒几毫米。在此之上，普通金属的电阻损耗变得很高，人们倾向于使导线更大，而不是迫使电荷移动得更快。

进一步阅读：Bill Beaty 的《电流流动速度》

^{1：光速取决于声音传播的材料，就像声音一样。请参阅波传播速度。}

实际上，这实际上是一个物理问题，而不是电子问题。原因是电气和电子工程师很少（如果有的话）考虑这种亚原子计算。电子实际上在移动是至关重要的事实，它们移动多快对电路几乎没有影响。对于工程师可能有用的是，知道电势（电压）的变化速度有多快，因为这将决定与电荷载流子的电阻，电容和电感有关的最大数据传输（线速），除其他事项外。这也与其他一些答案中讨论的波传播速度有关。这是两个完全不同的问题...

电力概览

首先，“电”不会流动。电流是电荷流动的物理表现。尽管此术语适用于广泛的现象，但最通常与电子（带负电的亚原子粒子）的移动（激发）相关。当某些元素复合时，电子可以自由地从一个原子移动到下一个原子，穿过电子云的最外层。导体很容易让电子流动，而绝缘子会限制电子流动。半导体（如硅）具有可控的电导率，这使其非常适合用于现代电子产品。

如您所知，电流以安培（安培）为单位。这实际上是一秒钟内有多少个电子通过一个点的度量：

1安培= 1库仑每秒= 6.241509324x10 ^ 18电子每秒

只要导体上存在电压（电势），（电线，电阻器，电动机等）电流就会流过。电压是两点之间电势的量度，因此具有较高的电压将允许较高的电流流动，即，每秒有更多的电子通过一个点。

电子速度

当然，禁食的已知速度是光速：3 * 10 ^ 8 m / s。但是，电子通常不会在此速度附近移动。实际上，您会惊讶地知道它们实际移动的速度。

电子的实际速度称为漂移速度。当电流流动时，电子实际上并没有通过导线沿直线移动，而是通过原子来回摆动。使用以下公式，电子流的实际平均速度与电流成正比：

v = I /（nAq）=电流/（载流子密度*载流子截面积*载流子电荷）

这个例子取自Wikepedia，因为我不想自己查看数字...

考虑3A电流流过直径为1mm的铜线。铜的密度为8.5 * 10 ^ 25电子/ m ^ 3，一个电子的电荷为-1.6 * 10 ^（-19）库仑。导线的横截面积为7.85×10 ^（-7）m ^ 2。因此，漂移速度为：

v =（3库仑/秒）/（8.5 * 10 ^ 25电子/ m ^ 3 * 7.85 * 10 ^（-7）m ^ 2 * -1.6 * 10 ^（-19）库仑）

v = -0.00028 m / s

注意负速度，这意味着电流实际上以通常认为的相反方向流动。除此之外，唯一需要注意的是这实际上有多慢。3安培的电流并不小，铜线是极好的导体！实际上，电荷载流子中的电阻越高，速度将越快。这类似于喷头上的不同设置将导致相同压力的水以不同的速度从水龙头中流出。孔越小，水流出的速度就越快！

了解这一点

如果电子运动如此缓慢，那么怎么可能这么快地传输数据呢？甚至，电灯开关怎么能从这么远的地方即时控制灯光？这是因为没有一个电子必须从电路中的一个点流到另一个点，任何东西都可以工作。实际上，电路的每个点始终有许多自由电子（其数量取决于载体材料的元素组成），只要施加足够大的电势（电压），它们就会移动。

想想管道中的水。如果开始时管道中没有水，则打开水龙头时，水会花一些时间才能到达水龙头。但是，在家庭中，管道的每个点都应该已经有水了，因此，一旦打开水，水就会从水龙头中流出。它不必从水源流到水龙头，因为它已经在管道中，只需等待潜在的推动力即可。导线也是如此：导线中已经有太多电子，只是等待电压的存在而被推动通过。一个电子从导线中的一个点移动到另一点所需的速度完全无关紧要。

另一方面，通过物理介质进行数据传输的速度非常重要，并且确实具有理论上的最大值，正如在这个奇妙的问题和答案中所讨论的那样，因此在这里我不再赘述。

电子误导了你。别管他们。无论如何，他们走错了方向。人们喜欢建立小的动画模型来显示它们到处运动-这是正确的，并观察到电子通信接近即时-是正确的，并得出结论，电子几乎瞬时地运动-这是错误的。

1. 电流流过多快？

   有两种可能的解释：“电子移动速度有多快？” 和“电子信号传输速度有多快？”

   Kurt已经回答“电子移动速度有多快？” 具有漂移速度。但是，电信号由在电荷载体的帮助下在材料中传播的电磁波来定义。信号以受传输线特性影响的光速传播。

   这对高速系统施加了实际限制。实际上，信号沿PCB的30厘米传播需要大约一纳秒的时间。结果，计算机各部分之间的等待时间最小。

   线路电感和电容限制了您制作边缘并将其沿一条线发送的“清晰度”。它将被拖向正弦波形状。

   请注意，您可以通过载波放置的数据量仍然有所不同，具体取决于其信噪比。传播速度决定了最小延迟，而不是带宽。

2. 电子的速度在电阻器中与在导线中是否不同？

3. 有关系吗？

   从上面我们知道，对于电子的速度，答案是“是”和“否”。

   波的传播速度受所传播的材料以及附近绝缘体与接地层的电容，电感和介电常数的影响。因此，由于信号由不同的材料制成并且与电路板隔离，因此信号将通过电阻器与导线传播的速度略有不同。

4. 还是电子的作用是唯一重要的事情，而较低的抽象水平在实践中没有用？

大多数时候，您不必担心电子。他们直接参与阴极射线管，真空荧光显示器和热电子“阀门”。

对于半导体来说，这也是正确的，因为物理学的原理很难理解，有时甚至违反直觉，但是关于如何在电路中使用晶体管，FET或二极管的基本知识要简单得多。

考虑一条多米诺骨牌 -在这一端将其推向另一侧，干扰会传播到另一侧。单个零件的速度与扰动或波前的速度有很大不同，并且没有单个零件从此处移动到那里。

有许多相对的想法

• 电子移动多快？
• 电流流动时电子漂移有多快？
• 信号沿着铜线传播的速度有多快

您可以将其与旧的管道装水类比联系起来

• H2O分子总是在液态（或任何高于0开尔文的状态）中摇摆不定
• 软管中的H2O分子也会从水龙头到喷嘴缓慢漂移
• 打开水龙头时，压力波的传播速度快于漂移速度。

电子的实际答案是

• 不知道，很快。2 x 10 ^ 6 m / s？（参考 †）
• 典型值可能是每小时1米。
• 光速的一小部分。（参考 ‡）

_{†对于特定轨道中的电子，铜中的“自由”电子可能有很大不同：-)。
‡对于盐水中的信号，铜可能大不相同:-)}

另一个方面：

在任何人都可以回答OP问题之前，首先我们必须定义“电力”一词。当电子流动时，这是“电流流动”吗？不，是的！不同的教科书彼此矛盾。没有简单的答案可以让专家们同意。

物理学说电量为库仑；电量为库仑。负责。（例如，请参阅《 CRC手册》。或者是NIST，或者是物理单位的MKS SI标准。）在“电”的定义下，我们可以说电子在移动时会携带少量的电。在金属中，流动的电流即电流是缓慢漂移的电子。

为什么这是个问题？简单：大多数非物理教科书完全不同意。相反，他们指出“电”是指“电子流”或电流。对他们来说，“电”不是库仑，而是流量。安培。对于他们来说，每当流量停止时，“电力”就消失了。

但是对于物理学家来说，当流量停止时，电线中的电流就不会动，因为安培数变化时载流子的密度不会改变。对于物理学家来说，所有电线都已经充满了电。总是包含“电子海”；所有金属的移动载体。但是对于非物理教科书，电线就像空管，“电”几乎以光速放大。

那是什么电呢？物理标准（MKS，SI标准约定）明确定义了电。但是我们的学校书本忽略了这一点，或者他们默默地假装可以根据需要更改物理标准。取而代之的是，所有学校教科书都同意以一种非常不同的方式来定义“电”：不是电荷的数量，而是电荷的流动。

那是什么电呢？（或更有趣的是，电流是……电流吗？每当电流开始流动时，我们将其称为“ ...电流”吗？）

:)

这种疯狂甚至感染了工程语言。物理学家说，电子是金属中的电荷载体。工程师却称它们为...电流载体？是的 检查任何大学工程文本。物理学家了解电荷守恒。这是基本法则。但是我们的工程师了解到... 电流守恒？！ 我们被告知，电流是流过电线的“东西”。EE教科书中充斥着“潮流”一词，很少提及“费用流”的正确版本。

解决此类问题的传统方法是众所周知的：制定标准并狭义地定义技术术语。然后仔细遵守那些语言标准。不要使用流行的定义，而只能使用狭窄的科学术语。这消除了所有的雾气和BS和混乱。然而，在这种情况下，这将是一场艰苦的战斗，因为使用物理标准将意味着成千上万本非物理科学/电子/工程师教科书以及几代专家根本上是错误的。由于不断滥用基本的科学术语，许多世代的学生现在都不知道什么是“电”，因此必须不断地询问它是否随漂移速度（电荷流，

削减更多的BS：电流不流动，而是传播。当我们推杆的一端时，运动不会流动。相反，它以波浪的形式传播。电路中的电流与之相同：是的，电荷流动，但是电流的波传播。电流的近光速传播与EM波相同。

最后，问问自己这个至关重要的问题：在河流和溪流中，是否有“水流”流过？还是这些东西实际上叫做“水”？