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電流傳播速度的首次測量

作者: 時間:2012-01-09 來源:網(wǎng)絡 收藏

理論計算和實驗數(shù)據(jù)都告訴我們,光和電磁波在真空中的傳播速度C=3X108米/秒,這一點已經(jīng)被舉世所公認。由于電流是電磁波的宿主載體,很多人自然很關心電流在導線中的傳播速度,遺憾的是這方面既沒有理論方面的預測,也沒有實際測量結果的報道。如果從網(wǎng)上搜索光速的測量歷史,幾乎每個人都可以津津樂道地講一大堆,但是如果問及電流的傳播速度,多數(shù)人都會不加思索地回答說它接近于光速,或者說電流的傳播速度就等于電磁波的傳播速度,事實果真是這樣的嗎?就像光源與光線的傳播速度沒有任何關系一樣,電流的傳播波速憑什么必須要和它自己所發(fā)射的電磁波的傳播速度一致呢?

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/231333.htm

我非常奇怪的是,既然這么多人都相信電流的傳播速度等于電磁波的傳播速度,為什么就沒有人親自動手測量一下電流的傳播速度呢?答案也許是:這個實驗真的很難。今天,本文作者不僅指出了電流傳播與電磁波的不同之處,而且設計出了一種電流測速的方法——時間延遲法。

眾所周知,光線在真空中的傳播速度等于30萬千米/秒,請注意里面有個限制條件是“在真空中”,因為光線在不同介質里面的速度并不相同,而且頻率不同的光線在同一種介質里速度也會不同??墒钱斎藗兲峒半娏鱾鞑サ乃俣葧r,往往直接就是一句話“電流的傳播速度等于電場的傳播速度,也就是等于光速”,竟然沒有任何限制條件,難道電流在導線中的傳播速度與電流的頻率、導體的材料性質、導線的形狀(電感或感抗)沒有任何關系嗎?如果有關系,那么“電流的傳播速度等于(真空中的)光速”又該如何成立呢?

關于電流的傳播機制,目前人們普遍認同的觀點是,電流的傳播速度等于導體中電場的傳播速度,自由電子在電場的拉動下近似同步運動。那么電場在不同金屬導線中的傳播速度又是多少呢?顯然這也是個未知數(shù)。既然光線在不同介質中的傳播速度并不一樣,所以本文作者猜想電場在不同金屬介質中的傳播速度也會不一樣,這就導致電流在不同金屬導線中的傳播速度也會不相同,那種簡簡單單一句話說“電流的速度等于光速”是完全錯誤的。

很多人至今仍然將電流與電磁波的傳播速度混為一談,其實兩者存在較大的區(qū)別:(1)首先電磁波只能是橫波,而電流波(交流電沿導線的傳播方式)卻是縱波,這一點很關鍵;(2)電流可以在金屬導體里面長距離地傳播,而電磁波由于是橫波以及電磁屏蔽效應,在金屬導體內部衰減很嚴重;(3)電磁波傳播速度的計算公式C=(εμ)-1/2在金屬中不再適用;(4)傳播機制不同,電磁波是激發(fā)式傳播,其實質是能量場的外泄,在真空中沒有電荷也能傳播,而電流傳播是電荷物質的被動式傳播(在外界電場的帶動下),必須要有電荷物質(電子、離子以及空穴等)的參與,沒有電荷物質就不會有電流;(5)影響因素不同,影響電磁波的傳播速度僅僅是頻率以及介質的性質,而電流的傳播速度受電感的影響較大。綜上所述,電流與電磁波的傳播方向不同,是完全不同的兩個概念,那種認為電流等于電磁波的傳播速度是沒有任何依據(jù)的。

本文作者認為,通常人們所提及的電流的傳播速度,并不是導線內部自由電子的定向移動速度(漂移速度),而是電壓的傳播速度。對于穩(wěn)恒直流電來說,由于導體中的電壓不隨時間發(fā)生變化,所以無法觀察到電壓的傳播速度。但是對于載有交流電的導線來說,由于電壓波的波峰將會隨時間沿著導線向前傳播,我們就完全可以測量出電壓波的傳播速度,這個就是人們通常所說的電流的傳播速度了。

為了讓你看得更清楚,我們于是建立了一個電流傳播的數(shù)學模型。電流傳播過程跟空氣中聲波的傳播過程非常相似,聲波在空氣中傳播時會形成疏密相間的波元,而正弦波交流電在導線中傳播時,自由電子也會在導線中形成疏密相間的電子云,如圖(1)所示,顯然這是一個夸張放大了的數(shù)學模型。電流波也許是世界上速度最快的縱波了,可以看出,在任意時刻T,沿導線軸向的各個截面的電流強度并不相等。很明顯,交流電的這種瞬時分布效應將使麥克斯韋方程組重新修正,因為他沒有考慮電荷運動的滯后性,這里就不再展開論述了。

圖(1) 金屬導線中的電流波(交流電)是疏密相間的縱波

直覺告訴我們,電流在導線中的傳播速度確實非常巨大,這也是造成很多人錯誤地認為等于光速的主要原因,例如從新疆到上海打長途電話,通話者幾乎感覺不到時間的延遲(也許95%的路程是光纖通信吧)。本文作者通過實驗室出,電流在銅導線中的傳播速度C銅=2.0X108米/秒,電流在鐵導線中的傳播速度C鐵=2.7X108米/秒,實驗結果完全超乎人的想象。

如何測量電流在導線中的傳播速度呢?150多年前的蒸汽機時代,斐索、傅科等人就已經(jīng)測出了光的速度,如今科技已經(jīng)步入了微電子時代,測量電流的傳播速度應該說易如反掌。不過需要指出的是,由于電流性質的特殊性,測量不能采用距離除以時間的方法,而只能采用C=λf 的計算方法。頻率易于測量,只要測定出波長λ的值,就可以計算出交流電在導線中的傳播速度了,而波長呢則可以采用“時間延遲效應”在實驗里進行測量并計算。本文作者采用示波器觀察李薩如圖形來捕獲全波頻率,首次成功地測量出了銅導線以及鐵導線中電流的傳播速度,下面介紹本人在實驗室里通過“時間延遲法”來測量的實驗。


圖(2) 用示波器觀察李薩如圖形

實驗目的:測定金屬導線中交流電流的波長以及傳播速度。

實驗器材:數(shù)字示波器(鼑陽SDS1102CM,帶寬100MHz,實時采樣率1GSa/s)一臺,高頻信號發(fā)生器(美瑞克RSG-17,頻譜0―150MHz)一臺,銅導線、鐵導線、鋁導線若干米,交流電源220V,鋼卷尺,游標卡尺。

實驗原理:先將頻率為 f 的高頻信號直接加到示波器的X端,同時再將該高頻信號經(jīng)過長度為L的金屬導線加到示波器的Y端,觀察兩組信號的相位差。由于高頻信號通過導線 L 時必然存在著時間延遲,那么就可以觀察到示波器上的兩條信號線存在著相位差(時間差)。用導線L的長度除以這個時間差,就可以算出電壓波的傳播速度C=L/t,也就是電流的傳播速度了。參考圖2所示,如果從小到大逐步調整高頻信號 f 的頻率,使得兩條正弦波的相位差剛好等于2π,那么導線L的長度則剛好是一個波長λ,此時信號的頻率也叫做全波頻率,我們據(jù)此就可以算出電流的傳播速度C=λf=Lf 。通過觀察李薩如圖形我們可以捕獲相位差是 2π 的全波頻率。

實驗布置如圖(3)所示,高頻信號發(fā)生器的信號產(chǎn)生后兵分兩路,一路直接送到示波器的的X軸輸入端,另外一路呢,經(jīng)過導線 L 繞道后到達示波器的Y端。然后開啟示波器觀察李薩如圖形,顯然,當兩個通道的相位差θ=2π時,此時導線 L 的長度恰好是一個波長λ。


圖(3) 用“時間延遲法”測量電流的傳播速度

實驗步驟:按照圖(3)所示連接各個器材部件,實驗分兩組進行。

(1)細導線(通訊電纜)。本組實驗中的塑皮細銅絲(不去皮)直徑0.4毫米,是我從電腦網(wǎng)線中的雙絞線里抽出來的,而直徑1.0毫米的裸體細鐵絲則是到五金商店里買的,實驗結果如下:


本次小結:從上表里可以看出,在一定范圍內,隨著電流頻率的升高,電流的傳播速度開始下降。反過來看就是,隨著電流頻率的下降,電流的傳播速度開始上升,但是電流傳播速度的最大極限值是C=3X108米/秒。這里可以推論,直流電的傳播速度最大。

(2)粗導線(照明電纜)。本組實驗中的裸體鐵導線、塑皮鋁導線、塑皮銅導線全部都是家庭日常生活中容易遇到的導線,實驗結果如下:


本次小結:從上表里可以看出,粗導線的電流傳播速度明顯比細導線低許多,我認為其原因在于,單位長度的粗導線的電感要比細導線大的緣故。由于普通照明電纜的電壓頻率是50Hz,遠低于我們實驗用的高頻信號,所以生活中普通照明電纜的電流傳播速度仍然是C=3X108米/秒。

實驗思考:請有條件的朋友測量一下導電液體以及半導體中的電流傳播速度吧,呵呵……

實驗總結:通過以上實驗可以得出這樣的結論:電流在導線中的傳播速度具有不確定性,其速度的分布較為寬廣,那種認為“電流的速度接近于光速”的觀點是完全錯誤的。實際上電流的傳播過程非常復雜,由于電感、分布電容以及電磁相互干擾的存在,即便是同一根金屬導線,當其幾何形狀不同時,它的電流傳播速度也會不相同。電流的傳播速度分布范圍較為寬廣,為此我們總結出以下規(guī)律:

(1)電流在導線中的傳播速度因材料的性質、幾何形狀(電感)以及電流的頻率而改變;

(2)電流的傳播速度分布范圍較為廣泛,電流傳播速度的最大極限值是3X108米/秒。

(3)在一定范圍內,交流電的頻率越高,電流的傳播速度越慢;

(4)直流電的傳播速度最大。




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