最近幾日接連看到幾篇談電流速度的文章，看得眼花繚亂，今天就我瞭解的知識談一談我的觀點。

討論“電流速度”的意義

在談電流速度之前，我們首先要釐清一下電流的概念，因為對電流的不同理解，恰恰是對電流速度混亂解釋的根本原因所在。

電流的定義是：“單位時間裡通過導體任一橫截面的電量叫做電流強度，簡稱電流”。

一個電流表，用於測量電流強度

有沒有發現什麼問題？在“電流”的定義中，它是一種度量，表示的是通過電量的多少，而不是物質運動的狀態。按照這個定義，談“電流的速度”本身就是錯的！

那麼我們為什麼要討論電流的速度？這是因為我們認為在電路能量是依賴物質傳遞的，既然物質傳遞能量，就存在一個傳遞速度。所以，這裡的“電流”已經脫離了其原本的物理學定義，變成一種“物質流”了。

明白了這一點，我們對“電流速度”的討論才能變得有意義起來。它實際上希望揭示的是電傳遞的本質，以及瞭解電荷在介質中運動的過程。

電是怎麼“流動”的？

說到電流，許多人會自然聯想到水流，它們看起來有許多近似的地方：水管類似於電路，水壓類似於電壓，水量類似電量，閥門像開關，而水流速度與電流強度也有一點相像......那麼，水管中的水跟電路中的電子應該是一回事了。

許多人會將電流與水流對等加以理解

事實果真如此嗎？

在電路中，電荷通過電荷載流子定向移動才形成電流。電荷載流子大多數情況下是電子，也可以是帶正電或帶負電的離子（在電解質中），又或者同時有電子和離子參與。

通常，在金屬導體中的每一個原子外圍都有電子圍繞著原子核運動，其中有些最外層電子受原子核靜電力的束縛很小，它們處於“將在外”的遊蕩狀態，我們稱之為自由電子。自由電子可以脫離原子“自由移動”，電路中的電能大部分是通過自由電子傳遞的。電子本身攜帶負電荷，電流的定義是正電荷的傳遞方向，因此電路中電流方向與自由電子的“運動方向”相反。

直流電路中電流的定義方向與電子運動方向相反

有些絕緣體，比如玻璃、橡膠等等，它們的分子中只有極少量的自由電子，有些甚至沒有自由電子，所以它們不導電，無法形成電流。空氣中的粒子彼此相距遙遠，除非擊穿，否則也很難形成電流。即使是金屬導體內部，它們的自由電子處於隨機無序的運動狀態，也不會形成電流。只有在導體兩端施加電場，在電場的作用下才會有電流產生。

空氣不導電，閃電是強電場擊穿潮溼空氣造成的放電現象

載流子的漂移

當在導體兩端施加電壓，在電場的作用下，導體內部的電荷載流子（自由電子）會沿著一定的方向發生運動，這種運動被稱為“載流子漂移”。

從“漂移”這個字眼，你應該意識到，載流子的運動速度可能不快。那麼載流子漂移的速度到底有多少呢？這是一個非常有趣的問題！

我們知道電子繞原子核運動的速度是極快的，它通常能接近於光速；而那些平時在原子之間隨機亂竄的自由電子們（在量子力學裡，電子是一種費米子），它們是以費米速度傳播的，這個費米流速是1570公里/秒。

極快的運動速度使電子在原子核周圍形成“電子雲”

電流強度 I=nAqu

其中n為電路中電荷載流子密度（每單位體積帶電粒子數），A為電路橫截面積，已知一個電子的電荷量是 q=-1.6×10⁻¹⁹庫倫，電子流動的速度為u。

我們假設在一個電線直徑為2毫米（半徑為0.001m）的純銅導線電路中有1安培電流，以此計算電子在其中的速度。

導線的橫截面積A=π×(0.001m)2=3.14×10⁻⁶m²

由於銅的密度為8.94g/cm³，其原子量為63.546g/mol，所以有140685.5mol/m³。按照阿伏伽德羅常量，在一摩爾的任何元素中都存在6.02×10²³個原子。因此，1m³左右的銅有8.5×10²⁸個原子（6.02 × 10²³×140685.5mol/m³）。每個銅原子有一個自由電子，因此 n=每立方米8.5×10²⁸個電子。

我們將上述參數代入公式求電子漂移速度：

電路中電子漂移速度計算

結果是u=23μm/s ，也就是說一小時電子才走了83毫米！是不是很驚喜？要知道蝸牛一小時最快可以爬8米多，它是電子漂移速度的100倍！

如果我們給這條電線通的是60Hz交流電，在半個週期內電子漂移小於0.2μm，然後在下半個週期它會再往回漂。換句話說，從你打開開關的那一刻起，流過開關中接觸點的電子實際上永遠不會離開開關，它始終在那裡晃來晃去，導線中其它的電子也是一樣地晃來晃去。

這與我們擰開水龍頭看到嘩嘩嘩地出水完全是兩回事！為什麼我們在按下開關的幾乎同時，電燈就能亮，而電子又幾乎沒有離開它原來的位置呢？

不能將電流與水流相比

電流到底是什麼？

前面介紹過，在金屬導體的內部充斥著大量自由電子，它們平時以1570公里/秒的速度在金屬晶格里亂竄，由於自由電子們運動的方向不一致，因此對外不會顯示出電流。

當我們在金屬導體的兩端通上直流電，在電場的作用下，這些自由電子沿著電場力的方向被迫向正端子衝擊，從而形成電流。

導線中載流子們傳遞的是電磁波。金屬導線就像是一個長長的牛頓搖籃（牛頓擺），其中眾多的電子就是那一顆顆小球，當我們在導線兩端施加電壓，電子會在電場的作用下被批量激發，然後迅速將電場能量以電磁波的方式向前傳遞。儘管電子本身移動的幅度很小，但電磁波傳遞的速度是光速。因此電路中所有的自由電子會瞬間獲得能量，從而形成電流，電流的強度與參與傳遞電子的數量相關。

牛頓擺

你可能會問，既然電子傳遞的是電磁波，電磁波的速度是光速，為什麼電流的速度只是接近光速而非等於光速呢？

這是因為載流子在傳遞電磁波的過程中存在干擾波。幾乎所有的金屬導體都存在電阻，這與金屬的純度以及金屬晶體的晶格是否排列規則相關。當電磁波穿過晶格時，它會被不規則的晶格干擾，從而使原子產生振動而發熱，這就是電阻。干擾波的存在使電磁波傳遞的速度受到影響，從而使電流的速度只相當於光速的50%~99%。

總結

電流是什麼？它是電路中載流子在電壓作用下對電場的傳遞。電場傳遞的速度接近於電磁波的速度，因此電流的速度非常快，它接近光速。這也就是為什麼電燈會在我們按下開關的同時亮起來。

在電路中負責傳遞電場能量的自由電子運動速度極慢，與其說它們是在漂移，不如說它們在緩慢地挪動更合適，蝸牛爬行的速度比電子移動的速度要快多了。而

蝸牛比電子漂移的速度快多了

在沒有通電的情況下，電子運動的速度反倒要快得多。自由電子的費米流速達到1570公里/秒，那些圍繞著原子核運動的電子，其運動速度更是接近光速。

因此，我們將電路中的電流與水管中的水流對等起來理解是錯誤的。

你明白了嗎？