Hastighet för elektrisk ström

Låt oss göra detta tankeexperiment. Föreställ dig att det finns en by på ett avstånd av 100 kilometer från staden och att en cirka 100 kilometer lång trådsignallinje med en glödlampa i änden läggs från staden till den byn. En skärmad tvåkärnig lina, den läggs på stöd längs vägen. Och om vi nu skickar en signal över denna linje från stad till by, hur lång tid tar det innan den tas emot där?

Beräkningar och erfarenheter säger oss att en signal i form av en glödlampa kommer att dyka upp i andra änden på minst 100/300000 sekunder, det vill säga på minst 333,3 μs (utan att ta hänsyn till trådens induktans) i by kommer en lampa att tändas, vilket betyder att en ström kommer att etableras i ledningen (till exempel använder vi en likström av laddad kondensator). 

100 är längden på varje ven i vår tråd i kilometer, och 300 000 kilometer per sekund är ljusets hastighet – fortplantningshastigheten elektromagnetisk våg i ett vakuum. Ja, "elektronernas rörelse" kommer att fortplanta sig längs tråden med ljusets hastighet.

Men det faktum att elektronerna börjar röra sig en efter en med ljusets hastighet betyder inte alls att elektronerna själva rör sig i tråden med en sådan enorm hastighet. Elektroner eller joner i en metallledare, i en elektrolyt eller i annat ledande medium kan inte röra sig så snabbt, det vill säga att laddningsbärarna inte rör sig i förhållande till varandra med ljusets hastighet.

Ljushastigheten i detta fall är den hastighet med vilken laddningsbärarna i tråden börjar röra sig efter varandra, det vill säga det är hastigheten för utbredningen av laddningsbärarnas translationsrörelse. Själva laddningsbärarna har en "drifthastighet" vid likström, säg i en koppartråd, på bara några millimeter per sekund!

Låt oss klargöra detta. Låt oss säga att vi har en laddad kondensator och till den fäster vi långa ledningar från vår glödlampa installerad i en by på ett avstånd av 100 kilometer från kondensatorn. Att ansluta ledningarna, det vill säga att stänga kretsen, görs med en omkopplare manuellt.

Vad kommer att hända? När omkopplaren är stängd börjar laddade partiklar röra sig i de delar av ledningarna som är anslutna till kondensatorn. Elektroner lämnar kondensatorns negativa platta, det elektriska fältet i kondensatorns dielektrikum minskar, den positiva laddningen av den motsatta (positiva) plattan minskar - elektroner strömmar in i den från den anslutna ledningen.

Därmed minskar potentialskillnaden mellan plattorna.Och eftersom elektronerna i trådarna intill kondensatorn började röra sig, kommer andra elektroner från avlägsna platser på tråden till sina platser, med andra ord börjar processen med omfördelning av elektroner i tråden på grund av verkan av ett elektriskt fält i en sluten krets. Denna process sprider sig längre längs tråden och når slutligen signallampans glödtråd.

Så förändringen i det elektriska fältet fortplantar sig längs ledningen med ljusets hastighet och aktiverar elektronerna i kretsen. Men själva elektronerna rör sig mycket långsammare.

Innan vi går vidare, överväg en hydraulisk analogi. Låt mineralvattnet rinna från byn till staden genom ett rör. På morgonen startades en pump i byn och den började öka vattentrycket i röret för att tvinga vattnet från bykällan att flytta till staden. Tryckförändringen sprider sig längs rörledningen mycket snabbt, med en hastighet på cirka 1400 km / s (det beror på vattnets densitet, från dess temperatur, från storleken på trycket).

En bråkdel av en sekund efter att pumpen slagits på i byn började vattnet röra sig in i staden. Men är det samma vatten som just nu rinner genom byn? Nej! Vattenmolekylerna i vårt exempel pressar varandra och de rör sig själva mycket långsammare, eftersom hastigheten på deras avvikelse beror på storleken på trycket. Krossningen av molekyler mot varandra fortplantar sig många storleksordningar snabbare än molekylernas rörelse längs röret.

Så är det med en elektrisk ström: utbredningshastigheten för ett elektriskt fält liknar utbredningen av tryck, och rörelsehastigheten för elektroner som bildar en ström liknar rörelsen av vattenmolekyler direkt.

Låt oss nu gå tillbaka direkt till elektronerna. Hastigheten för ordnad rörelse för elektroner (eller andra laddningsbärare) kallas drifthastigheten. Dess elektroner vinner genom åtgärden yttre elektriskt fält. 

Om det inte finns något yttre elektriskt fält, rör sig elektronerna kaotiskt inuti ledaren endast genom termisk rörelse, men det finns ingen riktad ström, och därför visar sig drifthastigheten i genomsnitt vara noll.

Om ett externt elektriskt fält appliceras på en ledare, kommer laddningsbärarna att börja röra sig beroende på ledarens material, på laddningsbärarnas massa och laddning, på temperaturen, på potentialskillnaden, men hastigheten av denna rörelse kommer att vara betydligt mindre än ljusets hastighet, cirka 0,5 mm per sekund (för en koppartråd med ett tvärsnitt på 1 mm2, genom vilken en ström på 10 A flyter, kommer medelhastigheten för elektrondrift att vara 0,6– 6 mm/s).

Denna hastighet beror på koncentrationen av fria laddningsbärare i ledaren n, på ledarens S tvärsnittsarea, på laddningen av partikeln e, på storleken på strömmen I. Som du kan se, trots det faktum att den elektriska strömmen (fronten av den elektromagnetiska vågen) fortplantar sig längs tråden med ljusets hastighet, själva elektronerna rör sig mycket långsammare. Det visar sig att strömhastigheten är en mycket låg hastighet.