电流传播速度的首次测量

何测量电流在导线中的传播速度呢？150多年前的蒸汽机时代，斐索、傅科等人就已经测出了光的速度，今科技已经步入了微电子时代，测量电流的传播速度应该说易反掌。不过需要指出的是，由于电流性质的特殊性，测量电流传播速度不能采用距离除以时间的方法，而只能采用C=λf 的计算方法。频率易于测量，只要测定出波长λ的值，就可以计算出交流电在导线中的传播速度了，而波长呢则可以采用“时间延迟效应”在实验里进行测量并计算。本文作者采用示波器观察李萨图形来捕获全波频率，首次成功地测量出了铜导线以及铁导线中电流的传播速度，下面介绍本人在实验室里通过“时间延迟法”来测量电流传播速度的实验。

图(2) 用示波器观察李萨如图形

实验目的：测定金属导线中交流电流的波长以及传播速度。

实验器材：数字示波器（鼑阳SDS1102CM，带宽100MHz，实时采样率1GSa/s）一台，高频信号发生器（美瑞克RSG-17，频谱0―150MHz）一台，铜导线、铁导线、铝导线若干米，交流电源220V，钢卷尺，游标卡尺。

实验原理：先将频率为 f 的高频信号直接加到示波器的X端，同时再将该高频信号经过长度为L的金属导线加到示波器的Y端，观察两组信号的相位差。由于高频信号通过导线 L 时必然存在着时间延迟，那么就可以观察到示波器上的两条信号线存在着相位差（时间差）。用导线L的长度除以这个时间差，就可以算出电压波的传播速度C=L/t，也就是电流的传播速度了。参考图2所示，如果从小到大逐步调整高频信号 f 的频率，使得两条正弦波的相位差刚好等于2π，那么导线L的长度则刚好是一个波长λ，此时信号的频率也叫做全波频率，我们据此就可以算出电流的传播速度C=λf=Lf 。通过观察李萨如图形我们可以捕获相位差是 2π 的全波频率。

实验布置如图(3)所示，高频信号发生器的信号产生后兵分两路，一路直接送到示波器的的X轴输入端，另外一路呢，经过导线 L 绕道后到达示波器的Y端。然后开启示波器观察李萨如图形，显然，当两个通道的相位差θ=2π时，此时导线 L 的长度恰好是一个波长λ。

图(3) 用“时间延迟法”测量电流的传播速度

实验步骤：按照图(3)所示连接各个器材部件，实验分两组进行。

（1）细导线（通讯电缆）。本组实验中的塑皮细铜丝（不去皮）直径0.4毫米，是我从电脑网线中的双绞线里抽出来的，而直径1.0毫米的裸体细铁丝则是到五金商店里买的，实验结果如下：

本次小结：从上表里可以看出，在一定范围内，随着电流频率的升高，电流的传播速度开始下降。反过来看就是，随着电流频率的下降，电流的传播速度开始上升，但是电流传播速度的最大极限值是C=3X108米/秒。这里可以推论，直流电的传播速度最大。

（2）粗导线（照明电缆）。本组实验中的裸体铁导线、塑皮铝导线、塑皮铜导线全部都是家庭日常生活中容易遇到的导线，实验结果如下：

本次小结：从上表里可以看出，粗导线的电流传播速度明显比细导线低许多，我认为其原因在于，单位长度的粗导线的电感要比细导线大的缘故。由于普通照明电缆的电压频率是50Hz，远低于我们实验用的高频信号，所以生活中普通照明电缆的电流传播速度仍然是C=3X108米/秒。

实验思考：请有条件的朋友测量一下导电液体以及半导体中的电流传播速度吧，呵呵……

实验总结：通过以上实验可以得出这样的结论：电流在导线中的传播速度具有不确定性，其速度的分布较为宽广，那种认为“电流的速度接近于光速”的观点是完全错误的。实际上电流的传播过程非常复杂，由于电感、分布电容以及电磁相互干扰的存在，即便是同一根金属导线，当其几何形状不同时，它的电流传播速度也会不相同。电流的传播速度分布范围较为宽广，为此我们总结出以下规律：

（1）电流在导线中的传播速度因材料的性质、几何形状（电感）以及电流的频率而改变；

（2）电流的传播速度分布范围较为广泛，电流传播速度的最大极限值是3X108米/秒。

（3）在一定范围内，交流电的频率越高，电流的传播速度越慢；

（4）直流电的传播速度最大。