電子的確是會(huì)定向移動(dòng)的,但這個(gè)速度大約在零點(diǎn)幾米每秒到幾米每秒(與電流和材料有關(guān)),這個(gè)速度是相當(dāng)慢的,而家里用的電能其實(shí)是通過(guò)電磁波從負(fù)載側(cè)面輸入的,這個(gè)速度是光速。
不過(guò)要澄清一下有的解釋?zhuān)娏鞑⒉贿m合用水波類(lèi)比,水波在傳播時(shí)倒的確是相互碰撞傳遞能量的,而沒(méi)有定向移動(dòng)。
電子定向運(yùn)動(dòng)的速度如此之慢,為什么我們一按下開(kāi)關(guān)燈馬上就能亮呢?從電流角度來(lái)說(shuō),整個(gè)電路中都充滿(mǎn)了電子,開(kāi)關(guān)一閉合,所有電子都發(fā)生定向移動(dòng),燈附近的電子立馬就會(huì)流過(guò)使之發(fā)光,而并不是要等開(kāi)關(guān)處的電子甚至是發(fā)電廠的電子流到你的燈里去。
接著我們討論一下電能傳播的問(wèn)題,也就是從電場(chǎng)的角度來(lái)看。發(fā)電廠的作用是在你的開(kāi)關(guān)兩端提供一個(gè)電壓,當(dāng)你閉合開(kāi)關(guān)時(shí),主角是你的開(kāi)關(guān),發(fā)電廠在哪個(gè)位置并不會(huì)影響燈亮的速度。開(kāi)關(guān)閉合時(shí),電路導(dǎo)通,開(kāi)關(guān)周?chē)碾妶?chǎng)發(fā)生變化,產(chǎn)生電磁波,電磁波向空間傳播,所到之處電場(chǎng)也隨之建立,電子就開(kāi)始定向移動(dòng)。并且能量在電阻小的地方幾乎沿著導(dǎo)線(xiàn)表面?zhèn)鞑ィ娮柙酱髣t越垂直,因而在負(fù)載的地方,電能是由外部空間從側(cè)面輸入的——而不是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)。
也就是說(shuō),電能是光速傳播的,并且是從開(kāi)關(guān)處開(kāi)始傳播,開(kāi)關(guān)如果離得遠(yuǎn),電能傳到用電器的時(shí)間就長(zhǎng)——假如你的開(kāi)關(guān)離燈有一光年遠(yuǎn)(假設(shè)電壓足夠大),那你的燈要在開(kāi)關(guān)閉合1年后才會(huì)亮,關(guān)于這個(gè)可以看我們之前的一個(gè)回答(一根1光年的電線(xiàn)通電,停電時(shí)1光年外會(huì)馬上停電?)。
最后和自來(lái)水廠對(duì)比一下,如果考慮水的循環(huán),直流電路里電子定向周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)倒的確和水流相似。
不過(guò)事實(shí)上,我們家用的交流電,電流方向每秒鐘都會(huì)改變100次(這是精確數(shù)值,我們國(guó)家電網(wǎng)交流電頻率是50Hz,也就是1秒鐘變化50個(gè)周期,每個(gè)周期方向變2次),電子一會(huì)從這邊流過(guò)電器,一會(huì)從另一邊流過(guò),總體來(lái)看電子是不斷振蕩的。而且這個(gè)振蕩的幅度非常之小,根據(jù)我一開(kāi)始說(shuō)的電子定向運(yùn)動(dòng)速度,不妨取大的10m/s(事實(shí)上家用電器是達(dá)不到這個(gè)速度的),電子每0.01s都要變化一次方向,即使不考慮加速減速過(guò)程,電子的振蕩幅度最多也是10厘米。
不用說(shuō)發(fā)電廠,你家門(mén)口電線(xiàn)桿的電子都不會(huì)跑到你家去,這和自來(lái)水是完全不一樣的。