大家一定都有這樣的經驗,打開開關,白熾燈立刻就亮了。當電流通過白熾燈的鎢絲時,通過電流的熱效應,鎢絲被加熱到白熾狀態,繼而發出明亮的光芒。從能量角度來考慮,白熾燈可以將電流中攜帶的電能轉換成熱能和光能。

  電流是怎麼流動的?舉一個簡單的例子,由一節電池、一個開關、一枚小燈泡和幾根導線組成了直流電路。在電池中,一系列複雜的電化學反應將電子由陽極「搬運」到陰極。一旦閉合開關形成了通路,攜帶著負電荷的電子由電池的陰極出發,在導線中流動,流經開關和燈泡回到電池的陽極。在電化學反應的驅動下,這種循環周而復始,電子就在這個電路中不斷「轉圈」。

  如此看來,一打開開關,白熾燈就亮了,說明電子的運動速度應該是非常快的,是這樣嗎?其實對導線中電子移動速度的計算表明,一團電子羣體運動的速度其實只有不到1毫米/秒,比蝸牛還慢得多!電子運動如此之慢,爲什麼一打開開關,電燈就亮了呢?

  這裡,我們要區分電場傳播速度和電子漂移速度兩個概念。電場的傳播速度和光速一樣快,在真空中能達到3×108米/秒。形象地說,電場每秒可以圍繞地球赤道「跑」七圈半!「電」的傳播過程是這樣的:導線中各處都有可以自由移動的電子,但開關斷開時,導線內並無電場,自由電子只是做無規則的熱運動(熱運動速度很大,但是運動方向是隨機的,所以對定向移動的電流沒有貢獻);閉合開關時,電場就會把場源(電池)變化的信息,以光速傳播出去,在電路的各個位置迅速建立起電場,電場「推動」各處的自由電子做宏觀的定向漂移運動,形成電流。電場建立後,燈絲附近的電子在電場力作用下「緩慢」地通過燈絲髮光,若是由電源出發的電子在電路中轉一圈就要經過非常漫長的過程了!

  這就像一根充滿水卻沒有水流的管子,突然打開水龍頭向管子一端注入水,在水注入的瞬間,管子的另一頭就有了水流,但是這個水流並不是剛才從水龍頭裡流出來的。水龍頭注入的水對管中的水產生了壓力,迫使它們定向運動,瞬間建立的是這種相互作用,它和導線中的電場類似,只不過電子的移動速度要比水流還慢得多。