Tốc độ dòng điện có bằng vận tốc ánh sáng?

Mọi người đều biết, ánh sáng là dạng bức xạ điện từ (Electromagnetic Radiation, viết tắt là ER) và tất cả ER, chẳng hạn như sóng vô tuyến, sóng radar, vi sóng, tia gamma, tia UV (cực tím), tia X… đều di chuyển với “vận tốc ánh sáng” là 300.000 km/s.

Trong giao tiếp, bạn thường nghe thành ngữ “nhanh như điện”! Vậy thực sự tốc độ dòng điện có bằng vận tốc ánh sáng?

Trước tiên, chúng ta phải hiểu rằng, dòng điện là dòng chuyển động có hướng của các điện tích. Như vậy, khi có dòng điện chạy trong vật dẫn, tức là có các điện tích chuyển động với một tốc độ nào đó trong vật dẫn ấy. Chẳng hạn trong kim loại, khi có dòng điện, các điện tích (electron tự do) chỉ trôi với tốc độ vài phần mười milimet trên giây. Tốc độ trôi của các điện tích trong vật dẫn thường là rất nhỏ.

Như vậy, “tốc độ dòng điện” có thể hiểu theo 2 nghĩa.

Nếu khái niệm “tốc độ dòng điện” được hiểu là “tốc độ trôi của các điện tích” thì nó rất nhỏ. Chẳng hạn trong một dây dẫn bằng đồng có tiết diện 2mm, dòng điện 5A chạy qua, tốc độ trôi của các electron chỉ là 0,18 mm/s mà thôi. Hiểu theo cách này, “tốc độ dòng điện” là khá chậm, thường khoảng vài mm/s.

Còn nếu khái niệm “tốc độ dòng điện” được hiểu là “tốc độ lan truyền của điện trường” thì đó là tốc độ cực nhanh. Trong lưới điện, khi người ta đóng điện, hầu như ngay lập tức mọi nơi đều có điện. Hiểu theo nghĩa này thì tốc độ dòng điện khoảng 60 - 99% vận tốc ánh sáng tùy thuộc loại vật dẫn.

Chính vì thế, trong vật lý không có khái niệm “tốc độ dòng điện” mà chỉ có khái niệm tốc độ lan truyền của dòng điện. Chúng ta không nên nhầm lẫn giữa “tốc độ trôi của các điện tích” và “tốc độ lan truyền của điện trường”.

Có vẻ như một số người vẫn tin rằng, các electron trong vật dẫn điện chuyển động với cùng vận tốc ánh sáng. Thực tế, electron không thể di chuyển cùng tốc độ với ánh sáng. Lý do đơn giản là nó có khối lượng. Ánh sáng là thứ nhanh nhất trong vũ trụ vì nó không có khối lượng, hoàn toàn không có quán tính cản trở chuyển động của nó.

Khối lượng của một electron có thể nhỏ đến mức không đáng kể, nhưng nó vẫn đủ để electron không thể chuyển động với vận tốc 300.000 km/s. Trên thực tế, đặt qua một bên photon (đơn vị cơ bản của ánh sáng), vì nó không có khối lượng, electron thậm chí cũng không phải là hạt nhẹ nhất. Danh hiệu đó thuộc về neutrino. Một electron nặng hơn gần 500.000 lần so với neutrino.