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會員注冊我們知道，在生活中，無論多遠的距離，無論多大的范圍，由一個電源控制的電燈，只要我們一合上開關(guān)，所有的電燈都同時亮了。起碼我們用肉眼和一般的儀器是分辨不出來的。因為，電是以光速傳導的。
金屬中有很多可以自由移動的電子，在沒有接入電源的情況下自由電子在導線中雜亂無章的運動，這種情況下不會在導線中形成電流。若是導線接入了電源，導線中的自由電子就會在恒定電場的作用下定向移動。自由電子的定向移動就形成了電流。
導線中電流的強度與多個因素有關(guān)，可以用一個簡單的公式表示出來I=nesv，其中n為單位體積內(nèi)可以移動的自由電子數(shù)量；e為一個自由電子的帶電量；s為導線的橫截面積；v為自由電子的定向移動速度。根據(jù)這個公式就可以計算出導線中自由電子定向移動的速度。比如常用的銅導線，假如導線的橫截面積是1平方毫米，導線中通有1安培的電流，假設(shè)每一個銅原子可以貢獻一個自由電子，結(jié)合銅的密度、摩爾質(zhì)量、阿伏伽德羅常數(shù)等就可以計算出導線中自由電子定向移動的平均速度大約是7.5乘以十的負5次方米每秒，自由電子要爬過手機屏幕這么寬的距離需要十多分鐘的時間。
自由電子定向移動的速度這么小，而閉合用電器的開關(guān)用電器幾乎是馬上就能工作，這是因為電場傳遞速度快的原因。電磁場在真空中能夠以光速傳播，閉合開關(guān)時，電路中導線的各個位置幾乎同時建立了恒定電場，在恒定電場的作用下，導線中的自由電子同時開始向前運動，所以開關(guān)閉合后用電器能夠馬上工作。
我們還知道，在金屬導體中，自由電子的定向移動形成電流。那么，金屬導體中電子定向移動的速度或說速率是多少呢？也是光速嗎？
答案或許讓你大吃一驚，根據(jù)計算，金屬導體中電子定向移動的速度僅為0.75毫米/秒，據(jù)說比蝸牛的爬行速度還慢。
據(jù)俄國科普學家、趣味科學的奠基人別萊利曼著的《趣味物理學》描述:”蝸牛,你要仔細盯著看,才能看到它在挪動,它一秒鐘只能爬動1.5毫米,也就是一小時只能移動5.4米。”這比剛才計算的金屬導體中電子定向移動的速度快了一倍呢！
金屬導體中的自由電子，在沒有電場力作用，或者說沒有電動勢、電源作用，就只做方向雜亂無章的熱運動，運動速率是 100，000 米/秒的數(shù)量級，但這個速度對形成電流并沒有貢獻.
金屬導體兩端加上電壓后，就會在導體中以光速建立起電場，使導體中的自由電子立即開始定向移動，從而形成電流，不過這些自由電子定向移動是非常慢的。
我們看到當我們接通電源以后，遠處的電燈馬上就亮起來，其實就是電場以光速傳導，馬上就把電傳到電燈了。所以，電流形成的速度取決于電場建立的速度。
那金屬導體中自由電子的定向移電速度是怎么得出來的呢？實驗測定太困難了，可以通過計算得出數(shù)據(jù)。
比如，有一條橫截面積S=1mm2的銅導線,通過的電流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)導線中每個銅原子貢獻一個自由電子。
那么，時間t內(nèi)通過導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，自由電子在銅導體中定向移動速率不到1毫米/秒，只約為自由電子熱運動的平均速率(約100,000米/秒)的1/10^9，即十億分之一。可見，其運動速度有多慢了。
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