与电子不同情结四种运动.docVIP

第  PAGE 4 页 共  NUMPAGES 4 页 与电子不同情结四种运动 重庆市 垫江县第五中学校 夏于权 邮编：408317 电话电子被误解的运动： “电”的传播过程大致是这样的：电路接通以前，金属导线中虽然各处都有自由电子，但导线内并无电场，整个导线处于静电平衡状态，自由电子只做无规则的热运动而没有定向运动，当然导线中也没有电流。当电路接通，电场就会把场源变化的信息，通过电场以大约光速的速度传播出去，使电路各处的导线中迅速建立起电场，电场推动当地的自由电子做漂移(定向)运动，形成电流。那种认为开关接通后，自由电子从电源出发，以漂移速度定向运动，到达电灯之后，灯才能亮，完全是一种误解。自由电子定向运动的速度很小，但为什么在很远的地方接通电键，电灯立刻就亮了起来呢？这是因为，“形成电流的速度不是自由电子运动速度”，而是“电场传播的速度”，可以这样理解，好比有一根管子，里面装满黄豆后，在从一头塞进去一粒黄豆，另一头马上就出来一粒，这相当于电场传播速度；而你单独看管子里的某一粒豆时，他的移动速度是很小的，这相当于电子定向移动的速度，导线中的电子每秒只能移动几米（宏观速度）就已经是很高的速度了。所以“电”的速度是电场的传播速度，而不是电子的定向移动速度。 电场传播的速度是非常大的。根据麦可斯韦的电磁场理论，电场的传播速度应该是电磁场的传播速度。电场传播速度与电介质有关系，在真空中为了30万千米/秒，与光在真空中的速度相同，在其它介质中要稍慢些。 二、电子被迫的运动： 电子作定向有序流动时，电子的迁移速度称为“电子漂移速度”，亦称电子的定向移动速度。 金属导体中的导电机理是自由电子的定向移动。金属中的正离子构成金属的晶体点阵，自由电子在晶格间做无规则的热运动。在导体两端加上电压后，自由电子受到电场力的作用，在无规则的热运动上又加上了一个定向运动，因而产生电流。自由电子的定向运动不是简单的匀速运动，而是在电场力的作用下的加速运动，同时又不断地跟正离子碰撞被反射，使定向运动遭到破坏，然后??电场力的作用下再加速，再碰撞。从大量自由电子运动的宏观效果来看，可以认为它们是以某个平均速度值做定向运动的。 在日常生活中，当我们闭合电灯开关时，电灯立刻就亮了起来，这很容易使人们认为，在导体有电流定向移动时，电荷定向运动的速度一定是非常大的，然而在实际上，事实却恰恰相反，电荷在导体上运动的速度是非常小的。为什么电荷运动得是这样的慢呢？其原因是，在金属导体中，存在大量自由电子和正离子。正离子构成金属的晶格点阵，而自由电子则在晶格间作永不停息的、无规则的热运动；自由电子的热运动速度是很大的，在零摄氏度时，约为110000米/秒。在通常的情况下，由于这种热运动是杂乱无章的，因而，导体中没有形成电流。而当导体两端存在电势差时，导体内部就有了电场，这时自由电子受到电场力的作用，沿着电场力的反方向相对晶格作定向运动。就形成了金属中的电流。由此可见，金属导电时，自由电子只不过是在很大速度的无规则热运动上附加了一个的相对于晶格的定向运动，这就形成了电流，在自由电子作定向运动的过程中，它受到电场力的加速作用，但同时，它还要与晶格发生频繁的碰撞，所以，自由电子的速度不会越来越快，相反由于频繁的碰撞，它的平均速度比较慢。我们可以计算一下：假定金属导体单位体积内的电子数为n，电子电荷量为e，电子定向移动速度为v，在△t时间内通过导体横截面积s的电子数就是nsv△t，通过次横截面积的电荷量为△q=ensv△t ，导体中的电流I=△q/△t =ensv，由此可推出电子定向运动的平均速度v=I/ens。以铜为例，铜单位体积内的电子数为n=8.4×1022/cm3，e=1.6×10-19C．直径1mm的铜导线，通过的电流是1A时，由上面的公式可以算出这时自由电子定向移动的平均速度v=7.4×10-5m/s。可见自由电子的定向移动的平均速度是很小的。 电子这个运动速度的动能是由电势能转化而来的。 三、电子离不开的运动： 根据分子运动论，组成物体的分子在做永不停歇的无规则的热运动，自由电子也不例外。 自由电子热运动的平均速率很大的。根据经典的电子理论，电子的热运动和气体分之运动一样，电子热运动的平均速率v=，式中k是玻尔兹曼常量，k=1.38×10-23J/k；m是电子的质量，m=0.91×10-30kg，T是热力学温度。由公式可算出，当t=270C，即T=300K时，v=1.08×105m/s。 所有分子热运动的动能和分子间势能之总和构成物体的内能。 四、电子与导体难舍难分的运动： 宏观物体（导体）做机械运动时组成导体的成份——金属离子和自由电子也要跟着运动。导体切割磁感应线运动产生的动生电动势，就是电子的这个运动产生的洛伦兹力使电子