先看书本上是怎样计算电子的速度的。
一根铜导线的截面积为3×10 -6 ,其中通有电流10A,试估算导线中自由电子平均漂移速率的数量级.
解 设每个铜原子有一个自由电子,那么铜线内单位体积中的自由电子数为
N= N A /M 式中的N A 是阿伏加德罗常数,M铜的摩尔质量,而ρ是铜的密度,即
N=N A /M=[(6.02×10 23 x8.95×10 3 )/(63.5×10 -3 )]M 3
=8.48X10 28 M -3
由此可得
υ=I/(nes)=[10/(8.48×10 28 x1.6×10 -19 x3x10 -6 )]m/s
=[2.46×10 -4 ]m/s
这就是经典物理学中形成电流的电子的速度,它通过一米长的导线就要68分钟。这个计算方法不对,与电源相距10万8千里的一个电子要运动,必然要有力的作用,这个力从哪一点来。从上面的计算来看,电子好象没有受力就在运动。
计算电压为500V电流为2A时电子的速度。电压为500V电流为2A一个小时就是一度电,一度电就是3.6×10 6 焦耳的能量。即电压为500V电流为2A时形成电流的电子一秒钟释放1000焦耳的能量. 在一秒钟内通过导线截面的电量就是两库伦,一库伦的电子是6.24146×10 18 个。
则一个电子携带的能量为:
1000/(2×6.24146×10 18 )= 8.010920487×10 -17 焦耳
现在就可以根据能量表达式来计算电子的速度
E=(1/2)mv 2
V 2 =2×8.010920487×10 -47 /(9.11×10 -31 )= 1.75870921774×10 14
V=1.32616334504×10 7 m/s
这个速度是偏小了,因为电子绕原子核旋转的速度未计算在这里面。电子释放能量后还有速度,这个速度就是绕原子核旋转的速度。
用同样的方法可以计算电压为100V电流为10A时电子的速度,即:
V=2.65232669008×10 6 m/s
用这两个结果也证明了电压越高,电流速度越快。功率相同的情况下,为什么电压越高,电流越小,经典电子理论是无法解释的。但用电压越高,电流速度越快就很好解释了。因为电压越高,单个电子的速度越快,携带的能量越多,需要的电子个数越少,即电流越小。为什么要用高压送电,不只是因为功率一定时电压越高,电流越小,还有一个原因就是电压越高,电流速度越快。
睡得香