我們知道，在生活中，無(wú)論多遠(yuǎn)的距離，無(wú)論多大的范圍，由一個(gè)電源控制的電燈，只要我們一合上開關(guān)，所有的電燈都同時(shí)亮了。起碼我們用肉眼和一般的儀器是分辨不出來(lái)的。因?yàn)椋�電是以光速傳�?dǎo)的。

金屬中有很多可以自由移動(dòng)的電子，在沒有接入電源的情況下自由電子在導(dǎo)線中雜亂無(wú)章的運(yùn)動(dòng)，這種情況下不會(huì)在導(dǎo)線中形成電流。若是導(dǎo)線接入了電源，導(dǎo)線中的自由電子就會(huì)在恒定電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)。自由電子的定向移動(dòng)就形成了電流。

導(dǎo)線中電流的強(qiáng)度與多個(gè)因素有關(guān)，可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式表示出來(lái)I=nesv，其中n為單位體積內(nèi)可以移動(dòng)的自由電子數(shù)量；e為一個(gè)自由電子的帶電量；s為導(dǎo)線的橫截面積；v為自由電子的定向移動(dòng)速度。根據(jù)這個(gè)公式就可以計(jì)算出導(dǎo)線中自由電子定向移動(dòng)的速度。比如常用的銅導(dǎo)線，假如導(dǎo)線的橫截面積是1平方毫米，導(dǎo)線中通有1安培的電流，假設(shè)每一個(gè)銅原子可以貢獻(xiàn)一個(gè)自由電子，結(jié)合銅的密度、摩爾質(zhì)量、阿伏伽德羅常數(shù)等就可以計(jì)算出導(dǎo)線中自由電子定向移動(dòng)的平均速度大約是7.5乘以十的負(fù)5次方米每秒，自由電子要爬過(guò)手機(jī)屏幕這么寬的距離需要十多分鐘的時(shí)間。

自由電子定向移動(dòng)的速度這么小，而閉合用電器的開關(guān)用電器幾乎是馬上就能工作，這是因?yàn)殡妶?chǎng)傳遞速度快的原因。電磁場(chǎng)在真空中能夠以光速傳播，閉合開關(guān)時(shí)，電路中導(dǎo)線的各個(gè)位置幾乎同時(shí)建立了恒定電場(chǎng)，在恒定電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)線中的自由電子同時(shí)開始向前運(yùn)動(dòng)，所以開關(guān)閉合后用電器能夠馬上工作。

我們還知道，在金屬導(dǎo)體中，自由電子的定向移動(dòng)形成電流。那么，金屬導(dǎo)體中電子定向移動(dòng)的速度或說(shuō)速率是多少呢？也是光速嗎？

答案或許讓你大吃一驚，根據(jù)計(jì)算，金屬導(dǎo)體中電子定向移動(dòng)的速度僅為0.75毫米/秒，據(jù)說(shuō)比蝸牛的爬行速度還慢。

據(jù)俄國(guó)科普學(xué)家、趣味科學(xué)的奠基人別萊利曼著的《趣味物理學(xué)》描述:”蝸牛,你要仔細(xì)盯著看,才能看到它在挪動(dòng),它一秒鐘只能爬動(dòng)1.5毫米,也就是一小時(shí)只能移動(dòng)5.4米。”這比剛才計(jì)算的金屬導(dǎo)體中電子定向移動(dòng)的速度快了一倍呢！

金屬導(dǎo)體中的自由電子，在沒有電場(chǎng)力作用，或者說(shuō)沒有電動(dòng)勢(shì)、電源作用，就只做方向雜亂無(wú)章的熱運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速率是 100，000 米/秒的數(shù)量級(jí)，但這個(gè)速度對(duì)形成電流并沒有貢獻(xiàn).

金屬導(dǎo)體兩端加上電壓后，就會(huì)在導(dǎo)體中以光速建立起電場(chǎng)，使導(dǎo)體中的自由電子立即開始定向移動(dòng)，從而形成電流，不過(guò)這些自由電子定向移動(dòng)是非常慢的。

我們看到當(dāng)我們接通電源以后，遠(yuǎn)處的電燈馬上就亮起來(lái)，其實(shí)就是電場(chǎng)以光速傳導(dǎo)，馬上就把電傳到電燈了。所以，電流形成的速度取決于電場(chǎng)建立的速度。

那金屬導(dǎo)體中自由電子的定向移電速度是怎么得出來(lái)的呢？實(shí)驗(yàn)測(cè)定太困難了，可以通過(guò)計(jì)算得出數(shù)據(jù)。

比如，有一條橫截面積S=1mm2的銅導(dǎo)線,通過(guò)的電流I=1A。已知銅的密度ρ=8.9×10³kg/m3,銅的摩爾質(zhì)量M=6.4×10-2kg/mol,阿

伏加德羅常數(shù)N A=6.02×1023mol-1,電子的電量e=-1.6×10^-19C。假設(shè)導(dǎo)線中每個(gè)銅原子貢獻(xiàn)一個(gè)自由電子。

那么，時(shí)間t內(nèi)通過(guò)導(dǎo)線橫截面的自由電子數(shù)n=ρSvtNA/M，其總電量Q=ne=ρSvtNAe/M。根據(jù)I=Q/t得，v=IM/ρSNAe，代入數(shù)字可得V=7.5×10^-5米/秒，即0.75毫米/秒。　　

從以上數(shù)據(jù)可知，自由電子在銅導(dǎo)體中定向移動(dòng)速率不到1毫米/秒，只約為自由電子熱運(yùn)動(dòng)的平均速率(約100,000米/秒)的1/10^9，即十億分之一。可見，其運(yùn)動(dòng)速度有多慢了。