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電的速度，百年誤導

2018/10/08   維加斯新聞報
張操

    電，改變了人類的生活，但電能是怎樣傳輸的？電的傳播速度是多少？這些基本問題看起來簡單，其實100多年以來，沒有人仔細研究過。
    關於電能的傳送速率，一般都認為這個速度就是電磁波的速度，即真空光速c，可是100年以來似乎沒有人進行過具體的實驗。如果從百度打入關鍵字：“電的速度”，第一頁的結果見上面所示。
上面的所謂答案，其實是百年誤導！電的傳播速度等於真空光速c 嗎？

    人們每天都在使用直流電器，例如手機，筆記型電腦等。典型的直流電路具有一個電池，電池二端由金屬導線連接一個負載電阻。金屬導線內自由電子的運動速度是很慢的，小於 1毫米/秒。
    對於最簡單的直流電路裡電能的傳輸，普通大眾都相信電能是由導線輸送的；但大學教科書卻說：電能先從電源向空間發射出去，再從電路外進入電阻等用電器。這是否將簡單問題複雜化了呢？
    我們強調，電的速度是指電場的速度，通俗地說，是代表電壓的速度，也代表電信號的速度，或者電能的速度。從2013年開始，本人與復旦大學的研究生等合作者共同進行了這方面的實驗。對低頻交流電路，經過不同材質、不同長度，不同結構等等上百次的實驗，我們發現，低頻交流電的速度會隨著電路的參數而變化；在大多數的情況下，電信號速度小於光速，但在特定條件下（頻率低於2MHz、採用幾米長的單導線）交流電的速度可以超光速。
    在7月20日，由上海市老科協舉辦的現場實驗演示會上。我進行了實驗演示。實驗是導線一長、一短的並聯電路，由示波器顯示它們的時間差，速度=長度差/時間差。對於二個回路，示波器可顯示2條正弦波、2條鋸齒波、2條方形波、2條三角波等等，很明顯，二個回路的2條正弦波能基本重合（表示時間差小於5納秒），而2條方形波離得比較開（時間差大），這是因為方形波含有高頻成分，波速較慢。演示中，用等長的銅導線替換鐵絲，波形基本不變。
    我也作了如下的演示：用二個1.5米的雙線，一個是平行雙線，另外一個是示波器原配的同軸電纜線。二者的時間差是大約10納秒。原因是同軸電纜線具有較大的分佈電感和分佈電容，造成了時間延遲。實驗明確地顯示出：在導線內的電的速度與電路以及導線的具體結構有關，隨著電路的參數而變化。如果需要測量同一種平行雙線的電的速度，就要採用一長、一短同一種平行雙線的並聯電路。
    實驗表明：電的傳播速度不等於真空光速！ 百度的條目以及大學教科書是一種誤導。歡迎網友進行實驗檢驗，共同糾正這個百年誤導！

    參考文獻（References）
    [11]. 張操，廖康佳，申紅磊，胡昌偉，交流電超光速的實驗研究，《前沿科學》，Vol. 11，(Mar. 2017) 67-72.