Viteza curentului electric
Să facem acest experiment de gândire. Imaginați-vă că există un sat la o distanță de 100 de kilometri de oraș și că o linie de semnal de sârmă de aproximativ 100 de kilometri lungime cu un bec la capăt este așezată de la oraș la acel sat. O linie ecranată cu două nuclee, este așezată pe suporturi de-a lungul drumului. Și dacă acum trimitem un semnal pe această linie din oraș în sat, cât timp va dura să fie primit acolo?
Calculele și experiența ne spun că un semnal sub formă de bec va apărea la celălalt capăt în cel puțin 100/300000 secunde, adică în cel puțin 333,3 μs (fără a lua în considerare inductanța firului) în se va aprinde o lumină, ceea ce înseamnă că se va stabili un curent în fir (de exemplu, folosim un curent continuu de condensator încărcat).
100 este lungimea fiecărei vene din firul nostru în kilometri, iar 300.000 de kilometri pe secundă este viteza luminii - viteza de propagare unde electromagnetice în vid. Da, „mișcarea electronilor” se va propaga de-a lungul firului cu viteza luminii.
Dar faptul că electronii încep să se miște unul după altul cu viteza luminii nu înseamnă deloc că electronii înșiși se mișcă în fir cu o viteză atât de extraordinară. Electronii sau ionii dintr-un conductor metalic, dintr-un electrolit sau dintr-un alt mediu conductiv nu se pot mișca atât de repede, adică purtătorii de sarcină nu se mișcă unul față de celălalt cu viteza luminii.
Viteza luminii în acest caz este viteza cu care purtătorii de sarcină din fir încep să se miște unul după altul, adică este viteza de propagare a mișcării de translație a purtătorilor de sarcină. Purtătorii de sarcină înșiși au o „viteză de deriva” la curent continuu, să zicem într-un fir de cupru, de doar câțiva milimetri pe secundă!
Să clarificăm acest aspect. Să presupunem că avem un condensator încărcat și de el îi atașăm fire lungi de la becul nostru instalat într-un sat la o distanță de 100 de kilometri de condensator. Conectarea firelor, adică închiderea circuitului, se face manual cu un comutator.
Ce se va intampla? Când comutatorul este închis, particulele încărcate încep să se miște în acele părți ale firelor care sunt conectate la condensator. Electronii părăsesc placa negativă a condensatorului, câmpul electric din dielectricul condensatorului scade, sarcina pozitivă a plăcii opuse (pozitive) scade - electronii curg în ea din firul conectat.
Astfel, diferența de potențial dintre plăci scade.Și deoarece electronii din firele adiacente condensatorului au început să se miște, alți electroni din locuri îndepărtate de pe fir vin la locurile lor, cu alte cuvinte, procesul de redistribuire a electronilor în fir începe datorită acțiunii unui câmp electric într-un circuit închis. Acest proces se extinde mai departe de-a lungul firului și ajunge în cele din urmă la filamentul lămpii de semnalizare.
Deci modificarea câmpului electric se propagă de-a lungul firului cu viteza luminii, activând electronii din circuit. Dar electronii înșiși se mișcă mult mai încet.
Înainte de a merge mai departe, luăm în considerare o analogie hidraulică. Lăsați apa minerală să curgă din sat în oraș printr-o conductă. Dimineata a fost pusa in functiune o pompa in sat si a inceput sa creasca presiunea apei in conducta pentru a forta apa din sursa satului sa se deplaseze in oras.Schimbarea presiunii se raspandeste de-a lungul conductei foarte repede, cu o viteza de aproximativ 1400 km/s (depinde de densitatea apei, de temperatura acesteia, de magnitudinea presiunii).
La o fracțiune de secundă după ce pompa a fost pornită în sat, apa a început să intre în oraș. Dar aceasta este aceeași apă care curge în prezent prin sat? Nu! Moleculele de apă din exemplul nostru se împing unele pe altele și ele însele se mișcă mult mai încet, deoarece viteza abaterii lor depinde de mărimea presiunii. Zdrobirea moleculelor unele împotriva altora se propagă cu multe ordine de mărime mai rapid decât mișcarea moleculelor de-a lungul tubului.
Așa este și cu un curent electric: viteza de propagare a unui câmp electric este similară cu propagarea presiunii, iar viteza de mișcare a electronilor care formează un curent este similară cu mișcarea directă a moleculelor de apă.
Acum să revenim direct la electroni. Rata de mișcare ordonată a electronilor (sau a altor purtători de sarcină) se numește rata de derive. Electronii săi câștigă prin acțiune câmp electric extern.
Dacă nu există un câmp electric extern, atunci electronii se mișcă haotic în interiorul conductorului numai prin mișcare termică, dar nu există curent direcționat și, prin urmare, viteza de derivere se dovedește a fi în medie zero.
Dacă unui conductor i se aplică un câmp electric extern, atunci în funcție de materialul conductorului, de masa și sarcina purtătorilor de sarcină, de temperatură, de diferența de potențial, purtătorii de sarcină vor începe să se miște, dar viteza această mișcare va fi semnificativ mai mică decât viteza luminii, aproximativ 0,5 mm pe secundă (pentru un fir de cupru cu secțiunea transversală de 1 mm2, prin care trece un curent de 10 A, viteza medie a deplasării electronilor va fi de 0,6–). 6 mm/s).
Această viteză depinde de concentrația purtătorilor de sarcină liberi în conductorul n, de aria secțiunii transversale a conductorului S, de sarcina particulei e, de mărimea curentului I. După cum puteți vedea, în ciuda faptul că curentul electric (fața undei electromagnetice) se propagă de-a lungul firului cu viteza luminii, electronii înșiși se mișcă mult mai încet. Se dovedește că viteza curentului este o viteză foarte mică.