电的速度与测量

罗爱波

1.序言

本文从电路未产生电流时金属导体所具有的电物理特性，电信号的单方向顺序移动，电势差的数值对导体形成电流的影响等方面，定量定性地分析了电压、电流的传播原理，从理论上阐述了电（电流、电压等）的传播速度。

本文根据电路的电工学性质为实验测量电的各种物理量的传播速度提出了易为大家接受的科学测量方法。

2.电路末闭合时电压（电动势）的传播原理与传播速度

一根有一定长度（比如300000km）的导体的一端接到直流电源的正极开始计时，导体的另外一端与电源的负极多久才能测量到电压？

也许很多人立刻得出1秒的时间，因为他们认为电的所有物理量都是以光速传播的。

由于电路没有形成闭合回路，与电源一端连接的导体中的寄生电容、电感等与直流电源的另一端（点）没有影响。因此可以得出大家都认可的重要结论：电路末闭合时电源必定不会产生电流。

当导体的一端接到电源上，如果电源电压以某一速度从电源正极沿导体传播，电源电压所到之处与电源电压末到之处将形成电势差，导体中有电势差电源必定产生电流；或电路中导体的电压从无到有，从小到大的方式传播，电源与导体亦会产生电势差而产生电流。

电压（电动势）以电磁波或其它波的形式传播，由于金属对电磁波或其他形式的波的衰减，需要电源的能量持续推动波的传递，电源同样会产生电流。

不论电源电压（电动势）以何种方式以有限速度传播，电路都将产生电流，与我们都认可的结论相悖。

电压（电动势）在导体中的传播原理与传播速度可以以电路没有形成闭合回路时，电路不产生电流导体所具有的电物理特性分析。

没有电流流过时导体所具有的电物理特性：导体中的自由电子作无规则运动，导体处于静电平衡状态，导体中任意两点之间电势差为零，导体呈等势体状态。

当导体的一端接到电源上，导体连接在电源正极（或负极）前、后任意时刻导体中的自由电子均保持无规则运动，导体处于静电平衡状态，导体中任意时刻任意两点之间电势差为零，导体连接在电源前后任意时刻都呈等势体状态。

因此当导体一端接到电源后，导体另外一端（或导体任意部分）立刻可以与电源另一端测量到电压。

对于等势体而言，交流电与直流电的电压（电动势）有同样的传播速度。

所以电路末闭合时电压（电动势）的传播速度是无穷大的。

3.电路闭合后电流、电压（电势差）的传播原理与传播速度

3.1.电路中不可能形成单方向顺序流动、传播的电信号

受经典物理中宏观物体运动速度（包括光速）概念根深蒂固的影响，人们往往错误地认为电信号（电脉冲）的传播方式是从导体的一端向导体的另一端的顺序流动。电信号（电脉冲）的主要参数有脉冲幅度（V）、脉冲宽度（t）、脉冲频率（T）。对于单个的矩形波电脉冲而言，在电路中可用具体数据描述为脉冲幅度为+100V，脉冲宽度（化为长度）为1m的矩形波，这个矩形波的两边导线的电压相对于矩形波来说是0V，按照电压从高到低流动的常识，这个矩形波只能向两边扩散，不可能做单方向的定向移动、传播，电路中也不可能产生这样的电信号。

3.2.以导体中形成的电势差数值定量定性分析电的传播原理与传播速度

电路闭合电流立即从电源正极以光速沿电路向负极流出已经作为物理常识。从电路闭合到产生电流，电势差的形成速度必定是无穷大的速度，经典物理对此视而不见。

电路中电势差产生电场，电场产生电流，这里必须正确认识到电势差先于电场产生的逻辑关系。只有从导体中电势差的产生，电势差在电路中的分布入手分析、研究才能正确得出电的传播速度。

当电路闭合时，以传统观念分析，电流是从电源正极以光速沿导体流向负极的，从这里可以得出这样的判断：产生电流的导体部分有电势差，没有产生电流的导体部分没有电势差。

如果产生电流的导体电势差数值是电源电压，必然会使末产生电流部分的导体因为没有电势差而不会产生电流，电流只能在有电势差的局部导体流动，在实际电路中是不存在这种现象的。这也是电信号（电脉冲）不能从导体的一端向导体的另外一端顺序流动、传播的原因之一。

末产生电流部分的导体是等势体，假如在此等势体导体中接入另外一根不与电路形成闭合回路的导体（等势体），其结果必定是另外一根导体不会有电流产生，形成闭合回路中的导体有电流流过。有电流流过的导体不是因自由电子的惯性能够在没有电势差的导体中形成电流，而是因为电路闭合后整个电路就不是等势体，其内部本身已产生电势差的原因。因此可以判断产生电流的导体部分的电势差小于电源电压，进而推断整个闭合回路导体内部都有电势差存在，电压（电势差）以无穷大速度按欧姆定律分布于电路上，整个电路以无穷大的速度产生了电流。

因此在闭合电路中，电势差先以无穷大的速度分布于整个电路之中，电场才能以无穷大的速度在电路中形成，电流才以无穷大的速度在电路中产生，并非传统的认为电场以光速在导体中传播的错误认识。

4.电压与电流速度的科学测量方法

4.1.  电的速度的渊源、电路性质简介及测量方法的思路

现今公认的电的速度，只有缜密、高深的电磁学推理，理论计算，没有权威的实验数值。有限的电的速度测量方法上也是错误的，确实令人遗憾。测量实验多是用高频脉冲在长短不一的电路中产生的不同波形来求解电流的速度，这些方法有一个致命的无法克服的弱点，电路的性质（阻性、容性、感性）对测量数据的影响没有定量定性研究且无法排除，测量结果都极尽可能与光速接近，电压速度测量一般选择性地遗忘。

电工学上的电路有这样的一些性质：任何一个构成电路的元件都不可能是单一参数，纯电阻电路、纯电容电路、纯电感电路只是一种理想电路，现实中是不存在的；任何一个串联电路流过的都是同一波形的电流。

由于串联电路中流过的是同一波形的电流，可根据电流在电路中传播时在不同位置产生的电的物理量的相位差测量电的速度，排除了电路性质对测量数据的影响，方法合理、科学。

4.2.  电的速度的测量方法

测量电流速度的方法是在电阻性负载电路中串联多个电流表（电流传感器），如在电源两端、电路中间各放一个，以各仪表电流的相位差与各表的距离精确测量电流的速度。

测量电路开路电压（电动势）传播速度可以用开路电压与电源电压的相位差与开路导体的长度计算。为减少仪器内阻对电路的影响，测量时仪器内阻要求尽量的大。

电路闭合后，可在电路中串联多个电阻，以各电阻上的电压相位差与各电阻的距离精确测量电压的传播速度。

测量电路的负载也可以用电容或电感性负载。在同一性质负载中，如果电流的速度确定，电压速度也随之确定。

上述方法与测量宏观物体的速度方法类同，能如实、有效地测量电的传播速度。测量时应保证仪器、仪表各项参数的一致性以减少误差。

电流、电压的速度确定后，电的各种物理量如电功（能量）、电势差、电场的形成等的速度也随之确定。

2013年1月3日 衢州

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