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)是通過電磁波從負(fù)載側(cè)面輸入的,這個(gè)速度是光速。
不過要澄清一下有的解釋,電流并不適合用水波類比,水波在傳播時(shí)倒的確是相互碰撞傳遞能量的,而沒有定向移動(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關(guān)燈馬上就能亮呢?從電流角度來說,整個(gè)電路中都充滿了電子,開關(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)流過使之發(fā)光,而并不是要等開關(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題,也就是從電場的角度來看。發(fā)電廠的作用是在你的開關(guān)兩端提供一個(gè)電壓,當(dāng)你閉合開關(guān)時(shí),主角是你的開關(guān),發(fā)電廠在哪個(gè)位置并不會(huì)影響燈亮的速度。開關(guān)閉合時(shí),電路導(dǎo)通,開關(guān)周圍的電場發(fā)生變化,產(chǎn)生電磁波,電磁波向空間傳播,所到之處電場也隨之建立,電子就開始定向移動(dòng)。并且能量在電阻小的地方幾乎沿著導(dǎo)線表面?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——而不是通過導(dǎo)線內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)。
也就是說,電能是光速傳播的,并且是從開關(guān)處開始傳播,開關(guān)如果離得遠(yuǎn),電能傳到用電器的時(shí)間就長——假如你的開關(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光年的電線通電,停電時(shí)1光年外會(huì)馬上停電?)。
最后和自來水廠對(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)從這邊流過電器,一會(huì)從另一邊流過,總體來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)我一開始說的電子定向運(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程,電子的振蕩幅度最多也是10厘米。