金属导体中有电流通过时的“三速率”

魏万军

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）30-0172-01

在中学物理教学中，涉及金属导电三速率问题时，学生往往思维混乱、张冠李戴。究其根本原因是对三种速率本质的认识及区分不清所致，现辨析示例如下仅供师生们参考。

一、 三速率辨析

1.自由电子定向移动速率

金属导体中有电流通过时，自由电子定向移动速率很小，约为10-5米/秒，以此速率自由电子通过1m长的导线需要3个多小时！，它是电子在受电场力的作用下，先加速运动，而后与导体中处在其平衡位置附近热运动的正离子碰撞又减速，且这种现象连续不断发生，碰撞中电子将电场加速获得的能量传递给正离子，宏观上表现为通电导体的发热。因此电子定向移动的速率是电子在加速和减速后的一个平均速率、且不随时间变化。

2.电场传导速率

有上述1可知，通电导体中自由电子定向移动的速率并不是电流传导速率，所谓电流传导速率实际上电场传导速率，即等于光速3×108m/s，闭合开关的瞬间，恒定电场和电场力会以光速形成与电源正负极之间，整个电路中各处的自由电子几乎同时定向移动，整个电路也就几乎同时形成了电流.所以，电场传导速率指的是形成恒定电场的速率，也可简单理解成形成电流的速率。

3.自由电子热运动速率

常温下金属导体中自由电子热运动的平均速率约为V热=105m/s，是电子的一种属性，这一数值是约为电子定向移动速率的1010倍，并且自由电子热运动随温度的升高而加剧，平均速率随温度的升高随之增大，于是在相同电压下，在相同的时间内，温度升高，热运动的电子与处在晶格结点上的正离子碰撞次数增多，宏观上表现为电流所受阻碍作用增大了，即材料的电阻率变大。

综上所述，当金属导体中有电流通过时，自由电子定向移动速率、电场传导速率、热运动速率，三者的物理意义、本质及微观机理完全不同，相信大家仔细体会定能很好区分。

二、示例应有

[例析1 ]关于电流，，下列说法中正确的是 （ ）

A.通电导线中自由电子定向移动的速率等于电流的传导速率

B.金屬导线中电子定向运动的速率越大，导线中的电流强度就越大

C.电流强度是个矢量，其方向就是正电荷定向移动的方向

D.国际单位制中，电流强度是一个基本物理量，安培是基本单位

解析：电流是电荷的定向移动形成的，但电流传导速率实际是电场在电路中传导的速率，等于光速3×108m/s而并非电子定向移动速度10-5m/s，故A项错 。由I=nevs和I=q/t可知，电流大小是看电荷在单位时间内通过某个横截面的数量，仅仅速率越大，电流强度不一定就越大，故B项也错。电流的方向是人为规定的，电流是标量。C项错。电流强度是基本物理量，“安培”是基本单位，故D项正确。

[例析2 ]设一根横截面积4mm2的铜导线，通过3.2安培的电流。已知每立方米铜约含有自由电子n=8.5×1028个，电子电量为e=1.6×10-19库仑，那么：1秒钟内通过导线任一横截面积的电子数是多少呢？自由电子定向移动的平均速率有多大呢？

解析：1秒钟内通过导线某个横截面积的电量为：

q=It=3.2×1库仑=3.2库仑

因而每秒通过导线某个横截面积的电子数：

N=q/e=3.2/1.6×10-19=2×1019（个）

由1秒钟内通过某个横截面积的电子数：

N=nSv. 得v=N/nS=2×1019/8.5×1028×4×10-6m/s

=5.88×10-5m/s

可见，通电导体中自由电子的定向移动是极其缓慢的，远小于蜗牛的爬行速度。