神他妈的电流是电子在旋转或线性移动

寂静回声

问








答

金属里的电子就是带电粒子，更准确说是费米子气，讨论导线导电时用德鲁德自由电子模型就够了，它始终是粒子，不存在 "变成电流形式" 这回事。
电流 I = dQ/dt，是单位时间穿过某一截面的电荷量，它是一个通量，一个宏观统计结果，跟 "流速" 类比而不是跟 "水" 类比。
所以问 "电子以电流形式还是粒子形式流动"，相当于问 "河里的水是以水流形式还是水分子形式流动"，答案是始终是水分子，"水流" 是单位时间流过截面的水的体积。


导线通电后，单个电子的真实运动是两种运动的叠加。
导线里的传导电子是简单费米气，对应费米速度量级约 1.6×10^6 m/s，方向完全随机，撞晶格、撞杂质、撞声子，净位移为零，这部分跟通不通电没关系。
一旦导线两端加电压，导体内部建立起电场 E，电子受 −eE 的力，在每两次碰撞之间沿与 E 相反的方向被稍微加速，长期平均下来产生一个极慢的净漂移速度 v_d。
漂移速度由 v_d = I/(n e A) 算，铜的自由电子数密度 n ≈ 8.5×10^28 m^-3，取一根 1 mm² 的铜线、通 1 A 电流，算出来 v_d ≈ 7.3×10^-5 m/s，也就是每秒 0.07 毫米左右，走完 1 米要将近 4 个小时。这就是说"非常微弱、非常慢" 的那个量。

电子既没有沿导线螺旋旋转穿过这种几何路径，也不是整齐排成一列线性穿行。它的真实轨迹是在晶格点阵里做疯狂的、随机的折返碰撞，在这团无规热运动的背景上，沿电场方向多出来一个极其微小的单向偏移。的确是净漂移方向顺着导线，但那是统计平均出来的矢量，不是单个电子的轨迹形状。


为什么开关一合灯就亮，它不是灯那头的电子瞬间跑过来了，而是电场以接近光速的瞬间出现在整根导线上，于是导线里每一处的自由电子同时开始做那个缓慢的漂移。灯亮的速度是场建立的速度，不是电子跑过去的速度，"电流" 是这股漂移带来的宏观电荷通量。