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近代物理 標題:請問電流流動的微觀現象
1:Learner Lee(研究所)張貼:2011-04-30 21:44:50:
我是物理業餘的愛好者,我已詳讀了Eisberg的量子力學第5至第14章,自以為應該可以算是了解其中的意義了吧!(這是我的能力水準)
我很想知道電流在電線裡流動的情形。Eisberg的書(原文)第450頁提到,銅的漂移速度vd大約為10的負2次方cm/s,而其盲動速度達10的8次方cm/s。Halliday《物理》第8版田麗文譯本下冊頁26-6,銅的vd大約為10的負5次方cm/s或10的負4次方cm/s,而其盲動速度達10的6次方cm/s。我關心的不是兩書內容的差距。
以前直覺認為電流非常快,快到足以和光速相比,如果電子漂移速度只有10的負2次cm/s,則實在很難將兩者聯想起來。
請問老師:從那一本書可以讀到導線中電流速度的測量實驗結果?從那一本書可以讀到電流與電子的微觀關係?為什麼那麼慢的電子移動,可以導致那麼快的電流流動?我不需要答案,我只希望能有書可研讀。非常感謝您的指導!

2:黃福坤(研究所)張貼:2011-05-01 23:31:14: [回應上一篇]
思考一下 你所謂電流非常快 指的是甚麼?

家中的水管打開水龍頭 水流出來
水的流速 或許不快
可是整個水路 從水廠到家裡 打開水路瞬間 整個水路隨即變化
這是否就是你認為 電流很快的感覺? 



3:Learner Lee(研究所)張貼:2011-05-05 21:56:38: [回應上一篇]

常謝謝老師的回答。

水流給我的當然是巨觀的感覺,巨觀而言水是「充實的」,常溫下加壓,體積減少不多。可是電線裡的電子與此有不同處,依Eisberg的書於第445頁第一段談金屬固體時說:「原子的最外層還有電子的空缺,但沒有足夠的價電子可以形成共價鍵。電子被所有的原子分享,並優遊於晶體的各原子之間,因為還有許多未被占據的電子態。在此意義下,它們的行為看來像氣體,一種『電子氣』。」這樣讀起來,像銅這種固體裡的電子,其細密度比水小多了,這種電子是電子「氣」,而水管裡的水是「液體」,水管裡的液體可以像您說的那樣流得很快,但若換成氣體,應該不會傳很快才對吧!

老師的說法是比喻法,比喻法可以得到很好的假設,但還是需要理論的證明或經驗的驗證。我想知道的是有沒有人做了實測,或做理論的證明。或者,怎樣找這類的資料。我不是物理系的學生,沒有物理老師可以請教,所以,希望能獲得老師的指點。


4:黃福坤(研究所)張貼:2011-05-05 22:09:52: [回應上一篇]
正如你所看書中提到
導線內每個自由電子各別的速度都很快  例如104m/s
可是很快就會和原子碰撞(平均自由徑很短) 而隨時改變方向
因為數量多 各方向又有相同機率
因此導線內 平均電流為零

可是當導線通電後 導線內會形成電場 此電場會使得原本均勻分布 變成不均勻
而使得導線內 朝電流方向 有淨位移 也就是電流不為零
且導線需形成迴路 才能有電流的導通
導線兩端的電壓 就好比水壓  內部的電場 就好比 水壓形成的推力

不要小看電子的數量 一安培的電流 可是對應 1018個電子通過

全世界才只有70億人口 7*108

電子的飄移速度 來自 導線內的電場

不清楚你所謂的實測 是需要怎樣的條件
我們能測得的是 電流 等相關巨觀的量
肉眼無法看到 一個個電子
以上關於電流導通的描述 可找普通物理 或電子學等教科書 都有相關描述
理工科系的學生 應該都修過相關課程



5:Learner Lee(研究所)張貼:2011-05-10 14:04:31: [回應第3篇]

老師耐心地說明。

光速被很精確地測量,也產生巨大的意義和價值。我想像,電流的速度也應被測量過才對。我所謂的實測,例如一個銅片,以類似霍爾效應方式讓其正負電荷分兩邊,如果以另一條例如100公尺長的導線接通兩邊,在很短的時間t內正負電荷中和消失,則電流的速度便是100m/t,這種測量方式也許是天方夜譚,但好像可以做到吧?電流速度似乎應和溫度(反比)、電壓(正比)、電阻(反比)等等變因有關。電流經過高電阻時是發熱,好像同時也應減少速度才對!電流速度是不是真的因電阻而減小了呢?超導體通電時沒有電阻,則超導電流是否比有電阻的電流流速還快呢?直覺覺得電流速度的測定對超導體的了解應有幫助才對!

又,大學物理學和Eisberg都計算導線中電子漂移速度,但都沒有提到每個自由電子各別的速度104m/s是怎麼得來的?計算的嗎?或實測的?

自由電子各別速度那麼大,每秒可能要穿過至少1010個原子吧!(104m/s除以原子的直徑),這一定不知碰撞到多少晶格,為什麼盲動時碰到晶格不會產生電阻?不會發熱?我猜想答案應該是因為那是彈性碰撞,所以沒有能量損失,但,實在不好想像!

         對學物理的人來說,我這些問題可能很愚蠢,也值不得老師一一詳解(敬佩老師為推動科學教育願花那麼大的時間和精神!)我只想再請問:我已讀完EisbergQuantum physics of atoms, molecules, solids, nuclei, and particles的第514章,對第11quantum statistics 和第13solidsconductors的部分和第14solids全部特別感興趣。請問老師,想在這幾個部分再繼續研讀,那些書較適合?

6:黃福坤(研究所)張貼:2011-05-10 14:38:06: [回應上一篇]
一個電子的行為 無法直接測量 因為訓號太過小 遠小於儀器的誤差 (與精密度)

一般導線中的電流也不是 你所想像 會有正負電荷中和消失的現象

電流是電流迴路中 電荷整體平均移動的結果
好比 循環的水管 內 水的持續流動 (並沒有任何水中和)

每個電子速度數量級的估算是根據計算出其動能(能量)後 推算的結果
好比 溫度 其實就是微觀粒子動能的巨觀表現
Quote:

自由電子各別速度那麼大,每秒可能要穿過至少1010個原子吧!(104m/s除以原子的直徑),這一定不知碰撞到多少晶格,為什麼盲動時碰到晶格不會產生電阻?不會發熱?我猜想答案應該是因為那是彈性碰撞,所以沒有能量損失,但,實在不好想像!


由於個別電子速度相對大 因此會持續和原子碰撞 所以才產生巨觀觀察到的 焦耳熱
而不是沒有能量損失 也因此電流得持續流動 需要電源供給能量!






7:Learner Lee(研究所)張貼:2011-05-10 16:51:47: [回應上一篇]

謝謝老師的回答。

Eisberg英文本第310頁,例9-3之前用括號括起來的兩行是:「合成粒子有偶數個反對稱的成分,它就是對稱的。」書中完全沒有解釋。請問,要了解此句話,要看什麼書?謝謝回答。


8:黃福坤(研究所)張貼:2011-05-10 17:14:16: [回應上一篇]
建議:如果是看原文書 建議直接輸入原文 且加上前後說明
太過簡短 有時候會造成斷章取義的狀況

因為沒有更多前後文 只能猜測 粒子指的或許是 fermions
fermions 無法占據相同狀態 故 偶數個粒子 會形成對稱結果





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