Hastighet på elektrisk strøm
La oss gjøre dette tankeeksperimentet. Tenk deg at det er en landsby i en avstand på 100 kilometer fra byen og at det legges en kabelsignallinje på rundt 100 kilometer med en pære i enden fra byen til den landsbyen. En skjermet to-kjerne linje, den legges på støtter langs veien. Og hvis vi nå sender et signal over denne linjen fra by til bygd, hvor lang tid tar det før den mottas der?
Beregninger og erfaring forteller oss at et signal i form av en lyspære vil dukke opp i den andre enden i løpet av minst 100/300 000 sekunder, det vil si i løpet av minst 333,3 μs (uten å ta hensyn til ledningens induktans) i landsby vil et lys tennes, noe som betyr at det etableres en strøm i ledningen (for eksempel bruker vi en likestrøm på ladet kondensator).
100 er lengden på hver åre i ledningen vår i kilometer, og 300 000 kilometer per sekund er lysets hastighet – forplantningshastigheten elektromagnetisk bølge i et vakuum. Ja, "elektronenes bevegelse" vil forplante seg langs ledningen med lysets hastighet.
Men det at elektronene begynner å bevege seg etter hverandre med lysets hastighet, betyr slett ikke at elektronene i seg selv beveger seg i ledningen med en så voldsom hastighet. Elektroner eller ioner i en metallleder, i en elektrolytt eller i et annet ledende medium kan ikke bevege seg så raskt, det vil si at ladningsbærerne ikke beveger seg i forhold til hverandre med lysets hastighet.
Lyshastigheten i dette tilfellet er hastigheten som ladningsbærerne i ledningen begynner å bevege seg etter hverandre, det vil si at det er forplantningshastigheten til translasjonsbevegelsen til ladningsbærerne. Selve ladningsbærerne har en "drifthastighet" ved likestrøm, si i en kobbertråd, på bare noen få millimeter per sekund!
La oss gjøre dette punktet klart. La oss si at vi har en ladet kondensator og til den fester vi lange ledninger fra lyspæren vår installert i en landsby i en avstand på 100 kilometer fra kondensatoren. Koble til ledningene, det vil si å lukke kretsen, gjøres med en bryter manuelt.
Hva vil skje? Når bryteren er lukket, begynner ladede partikler å bevege seg i de delene av ledningene som er koblet til kondensatoren. Elektroner forlater den negative platen til kondensatoren, det elektriske feltet i kondensatorens dielektrikum avtar, den positive ladningen til den motsatte (positive) platen avtar - elektroner strømmer inn i den fra den tilkoblede ledningen.
Dermed reduseres potensialforskjellen mellom platene.Og siden elektronene i ledningene ved siden av kondensatoren begynte å bevege seg, kommer andre elektroner fra fjerne steder på ledningen til sine steder, med andre ord begynner prosessen med omfordeling av elektroner i ledningen på grunn av virkningen av et elektrisk felt i en lukket krets. Denne prosessen sprer seg videre langs ledningen og når til slutt signallampens glødetråd.
Så endringen i elektrisk felt forplanter seg langs ledningen med lysets hastighet, og aktiverer elektronene i kretsen. Men selve elektronene beveger seg mye langsommere.
Før vi går videre, vurder en hydraulisk analogi. La mineralvannet strømme fra landsbyen til byen gjennom et rør. Om morgenen ble det startet en pumpe i landsbyen og den begynte å øke vanntrykket i røret for å tvinge vannet fra landsbykilden til å flytte til byen. Trykkendringen sprer seg langs rørledningen veldig raskt, med en hastighet på omtrent 1400 km / s (det avhenger av tettheten til vannet, fra dets temperatur, fra størrelsen på trykket).
En brøkdel av et sekund etter at pumpen ble slått på i landsbyen, begynte vannet å strømme inn i byen. Men er dette det samme vannet som for tiden renner gjennom landsbyen? Nei! Vannmolekylene i vårt eksempel presser hverandre og de beveger seg selv mye saktere, siden hastigheten på deres avvik avhenger av størrelsen på trykket. Knusing av molekyler mot hverandre forplanter seg mange størrelsesordener raskere enn bevegelsen av molekyler langs røret.
Slik er det med en elektrisk strøm: Forplantningshastigheten til et elektrisk felt ligner på forplantningen av trykk, og bevegelseshastigheten til elektroner som danner en strøm ligner bevegelsen til vannmolekyler direkte.
La oss nå gå direkte tilbake til elektronene. Hastigheten for ordnet bevegelse av elektroner (eller andre ladningsbærere) kalles drifthastigheten. Dens elektroner får gjennom handlingen eksternt elektrisk felt.
Hvis det ikke er noe eksternt elektrisk felt, beveger elektronene seg kaotisk inne i lederen bare ved termisk bevegelse, men det er ingen rettet strøm, og derfor viser drifthastigheten seg i gjennomsnitt å være null.
Hvis et eksternt elektrisk felt påføres en leder, vil ladningsbærerne begynne å bevege seg, avhengig av materialet til lederen, massen og ladningen til ladningsbærerne, temperaturen, potensialforskjellen. av denne bevegelsen vil være betydelig mindre enn lyshastigheten, omtrent 0,5 mm per sekund (for en kobbertråd med et tverrsnitt på 1 mm2, som en strøm på 10 A flyter gjennom, vil gjennomsnittshastigheten for elektrondrift være 0,6– 6 mm/s).
Denne hastigheten avhenger av konsentrasjonen av frie ladningsbærere i lederen n, på tverrsnittsarealet til lederen S, på ladningen til partikkelen e, av størrelsen på strømmen I. Som du kan se, til tross for det faktum at den elektriske strømmen (fronten av den elektromagnetiske bølgen) forplanter seg langs ledningen med lysets hastighet, beveger elektronene seg mye saktere. Det viser seg at hastigheten på strømmen er en veldig lav hastighet.