Скорост на електрически ток
Нека направим този мисловен експеримент. Представете си, че има село на разстояние 100 километра от града и че жична сигнална линия с дължина около 100 километра с крушка в края е положена от града до това село. Екранирана двужилна линия, тя е положена върху опори по пътя. И ако сега изпратим сигнал по тази линия от град до село, след колко време той ще бъде приет там?
Изчисленията и опитът ни казват, че сигнал под формата на светеща крушка ще се появи в другия край най -малко за 100/300000 секунди, тоест за най -малко 333,3 μs (без да се вземе предвид индуктивността на проводника) в селото ще светне светлина, което означава, че в проводника ще се установи ток (например използваме постоянен ток от зареден кондензатор).
100 е дължината на всяка от вените на нашия проводник в километри, а 300 000 километра в секунда е скоростта на светлината — скоростта на разпространение електромагнитна вълна във вакуум. Да, «движението на електрони» ще се разпространява по проводника със скоростта на светлината.
Но фактът, че електроните започват да се движат един след друг със скоростта на светлината, изобщо не означава, че самите електрони се движат в проводника с такава огромна скорост. Електроните или йоните в метален проводник, в електролит или в друга проводима среда не могат да се движат толкова бързо, тоест носителите на заряд не се движат един спрямо друг със скоростта на светлината.
Скоростта на светлината в този случай е скоростта, с която носителите на заряд в проводника започват да се движат един след друг, тоест това е скоростта на разпространение на транслационното движение на носителите на заряд. Самите носители на заряд имат «скорост на дрейф» при постоянен ток, да речем в меден проводник, само няколко милиметра в секунда!
Нека изясним тази точка. Да кажем, че имаме зареден кондензатор и към него прикрепяме дълги проводници от нашата крушка, инсталирана в село на разстояние 100 километра от кондензатора. Свързването на проводниците, тоест затварянето на веригата, се извършва с превключвател ръчно.
Какво ще се случи? Когато превключвателят е затворен, заредените частици започват да се движат в онези части от проводниците, които са свързани към кондензатора. Електроните напускат отрицателната плоча на кондензатора, електрическото поле в диелектрика на кондензатора намалява, положителният заряд на противоположната (положителната) плоча намалява — в него се вливат електрони от свързания проводник.
Така потенциалната разлика между плочите намалява. И тъй като електроните в проводниците в съседство с кондензатора започнаха да се движат, други електрони от отдалечени места на проводника идват на техните места, с други думи, процесът на преразпределение на електроните в проводника започва поради действието на електрическо поле в затворен кръг. Този процес се разпространява все по -нататък по проводника и накрая достига до нишката на сигналната лампа.
Така че промяната в електрическото поле се разпространява по проводника със скоростта на светлината, активирайки електроните във веригата. Но самите електрони се движат много по -бавно.
Преди да продължим по -нататък, помислете за хидравлична аналогия. Нека минералната вода тече от селото към града по тръба. На сутринта в селото беше пусната помпа и той започна да увеличава налягането на водата в тръбата, за да принуди водата от селския източник да се премести в града.Промяната на налягането се разпространява по тръбопровода много бързо, със скорост около 1400 km / s (зависи от плътността на водата, от нейната температура, от големината на налягането).
Част от секундата след пускането на помпата в селото водата започна да се движи в града. Но това ли е същата вода, която в момента се движи в селото? Не! Водните молекули в нашия пример се тласкат взаимно и самите те се движат много по -бавно, тъй като скоростта на тяхното отклонение зависи от големината на налягането. Смачкването на молекули помежду си се разпространява с много порядки по -бързо от движението на молекулите по тръбата.
Така е и с електрически ток: скоростта на разпространение на електрическо поле е подобна на разпространението на налягане, а скоростта на движение на електроните, които образуват ток, е подобна на движението на водните молекули директно.
Сега нека се върнем директно към електроните. Скоростта на подреденото движение на електрони (или други носители на заряд) се нарича скорост на дрейф. Неговите електрони придобиват чрез действието външно електрическо поле.
Ако няма външно електрическо поле, тогава електроните се движат хаотично вътре в проводника само при топлинно движение, но няма насочен ток и следователно скоростта на дрейфа средно се оказва нула.
Ако към проводник се приложи външно електрическо поле, тогава в зависимост от материала на проводника, от масата и заряда на носителите на заряд, от температурата, от потенциалната разлика, носителите на заряд ще започнат да се движат, но скоростта на това движение ще бъде значително по -малко от скоростта на светлината, около 0,5 mm в секунда (за меден проводник със сечение 1 mm2, през който протича ток от 10 A, средната скорост на дрейфа на електроните ще бъде 0,6–6 mm / с).
Тази скорост зависи от концентрацията на свободни носители на заряд в проводника n, от площта на напречното сечение на проводника S, от заряда на частицата e, от големината на тока I. Както можете да видите, въпреки фактът, че електрическият ток (предната част на електромагнитната вълна) се разпространява по проводника със скоростта на светлината, самите електрони се движат много по -бавно. Оказва се, че скоростта на тока е много ниска скорост.