什么是费米速度，费米速度有多快
最近几日接连看到几篇谈电流速度的文章，看得眼花缭乱，今天就我了解的知识谈一谈我的观点。
在谈电流速度之前，我们首先要厘清一下电流的概念，因为对电流的不同理解，恰恰是对电流速度混乱解释的根本原因所在。
电流的定义是：“单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做电流强度，简称电流”。
一个电流表，用于测量电流强度
有没有发现什么问题？在“电流”的定义中，它是一种度量，表示的是通过电量的多少，而不是物质运动的状态。按照这个定义，谈“电流的速度”本身就是错的！
那么我们为什么要讨论电流的速度？这是因为我们认为在电路能量是依靠物质传递的，既然物质传递能量，就存在一个传递速度。所以，这里的“电流”已经脱离了其原本的物理学定义，变成一种“物质流”了。
明白了这一点，我们对“电流速度”的讨论才能变得有意义起来。它实际上希望揭示的是电传递的本质，以及了解电荷在介质中运动的过程。
说到电流，许多人会自然联想到水流，它们看起来有许多近似的地方：水管类似于电路，水压类似于电压，水量类似电量，阀门像开关，而水流速度与电流强度也有一点相像……那么，水管中的水跟电路中的电子应该是一回事了。
许多人会将电流与水流对等加以理解
事实果真如此吗？
在电路中，电荷通过电荷载流子定向移动才形成电流。电荷载流子大多数情况下是电子，也可以是带正电或带负电的离子（在电解质中），又或者同时有电子和离子参与。
通常，在金属导体中的每一个原子外围都有电子围绕着原子核运动，其中有些最外层电子受原子核静电力的束缚很小，它们处于“将在外”的游荡状态，我们称之为自由电子。自由电子可以脱离原子“自由移动”，电路中的电能大部分是通过自由电子传递的。电子本身携带负电荷，电流的定义是正电荷的传递方向，因此电路中电流方向与自由电子的“运动方向”相反。
直流电路中电流的定义方向与电子运动方向相反
有些绝缘体，比如玻璃、橡胶等等，它们的分子中只有极少量的自由电子，有些甚至没有自由电子，所以它们不导电，无法形成电流。空气中的粒子彼此相距遥远，除非击穿，否则也很难形成电流。即使是金属导体内部，它们的自由电子处于随机无序的运动状态，也不会形成电流。只有在导体两端施加电场，在电场的作用下才会有电流产生。
空气不导电，闪电是强电场击穿潮湿空气造成的放电现象
当在导体两端施加电压，在电场的作用下，导体内部的电荷载流子（自由电子）会沿着一定的方向发生运动，这种运动被称为“载流子漂移”。
从“漂移”这个字眼，你应该意识到，载流子的运动速度可能不快。那么载流子漂移的速度到底有多少呢？这是一个非常有趣的问题！
我们知道电子绕原子核运动的速度是极快的，它通常能接近于光速；而那些平时在原子之间随机乱窜的自由电子们（在量子力学里，电子是一种费米子），它们是以费米速度传播的，这个费米流速是1570公里/秒。
极快的运动速度使电子在原子核四周形成“电子云”
电流强度 I=nAqu
其中n为电路中电荷载流子密度（每单位体积带电粒子数），A为电路横截面积，已知一个电子的电荷量是 q=-1.6×10⁻¹⁹库伦，电子流动的速度为u。
我们假设在一个电线直径为2毫米（半径为0.001m）的纯铜导线电路中有1安培电流，以此计算电子在其中的速度。
导线的横截面积A=π×(0.001m)2=3.14×10⁻⁶m²
由于铜的密度为8.94g/cm³，其原子量为63.546g/mol，所以有140685.5mol/m³。按照阿伏伽德罗常量，在一摩尔的任何元素中都存在6.02×10²³个原子。因此，1m³左右的铜有8.5×10²⁸个原子（6.02 × 10²³×140685.5mol/m³）。每个铜原子有一个自由电子，因此 n=每立方米8.5×10²⁸个电子。
我们将上述参数代入公式求电子漂移速度：
电路中电子漂移速度计算
结果是u=23μm/s ，也就是说一小时电子才走了83毫米！是不是很惊喜？要知道蜗牛一小时最快可以爬8米多，它是电子漂移速度的100倍！
假如我们给这条电线通的是60Hz交流电，在半个周期内电子漂移小于0.2μm，然后在下半个周期它会再往回漂。换句话说，从你打开开关的那一刻起，流过开关中接触点的电子实际上永远不会离开开关，它始终在那里晃来晃去，导线中其它的电子也是一样地晃来晃去。
这与我们拧开水龙头看到哗哗哗地出水完全是两回事！为什么我们在按下开关的几乎同时，电灯就能亮，而电子又几乎没有离开它原来的位置呢？
不能将电流与水流相比
前面介绍过，在金属导体的内部充斥着大量自由电子，它们平时以1570公里/秒的速度在金属晶格里乱窜，由于自由电子们运动的方向不一致，因此对外不会显示出电流。
当我们在金属导体的两端通上直流电，在电场的作用下，这些自由电子沿着电场力的方向被迫向正端子冲击，从而形成电流。
导线中载流子们传递的是电磁波。金属导线就像是一个长长的牛顿摇篮（牛顿摆），其中众多的电子就是那一颗颗小球，当我们在导线两端施加电压，电子会在电场的作用下被批量激发，然后迅速将电场能量以电磁波的方式向前传递。尽管电子本身移动的幅度很小，但电磁波传递的速度是光速。因此电路中所有的自由电子会瞬间获得能量，从而形成电流，电流的强度与参与传递电子的数量相关。
牛顿摆
你可能会问，既然电子传递的是电磁波，电磁波的速度是光速，为什么电流的速度只是接近光速而非等于光速呢？
这是因为载流子在传递电磁波的过程中存在干扰波。几乎所有的金属导体都存在电阻，这与金属的纯度以及金属晶体的晶格是否排列规则相关。当电磁波穿过晶格时，它会被不规则的晶格干扰，从而使原子产生振动而发热，这就是电阻。干扰波的存在使电磁波传递的速度受到影响，从而使电流的速度只相称于光速的50%~99%。
电流是什么？它是电路中载流子在电压作用下对电场的传递。电场传递的速度接近于电磁波的速度，因此电流的速度非常快，它接近光速。这也就是为什么电灯会在我们按下开关的同时亮起来。
在电路中负责传递电场能量的自由电子运动速度极慢，与其说它们是在漂移，不如说它们在缓慢地挪动更合适，蜗牛爬行的速度比电子移动的速度要快多了。而在交流电路中，自由电子几乎就是在原地晃来晃去，它们不会前进半步。
蜗牛比电子漂移的速度快多了
在没有通电的情况下，电子运动的速度反倒要快得多。自由电子的费米流速达到1570公里/秒，那些围绕着原子核运动的电子，其运动速度更是接近光速。
因此，我们将电路中的电流与水管中的水流对等起来理解是错误的。
你明白了吗？
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