Az elektromos áram sebessége
Végezzük el ezt a gondolatkísérletet. Képzeld el, hogy a várostól 100 kilométerre van egy falu, és a várostól a faluig egy kb. Árnyékolt kétmagos vonal, az út mentén tartókra van fektetve. És ha most ezen a vonalon küldünk jelet városról falura, akkor mennyi időbe telik, hogy ott fogadják?
A számítások és a tapasztalatok azt mutatják, hogy a másik végén legalább 100/300000 másodpercen belül, azaz legalább 333,3 μs (a vezeték induktivitásának figyelembe vétele nélkül) alatt megjelenik egy villanykörte formájú jel. faluban egy lámpa kigyullad, ami azt jelenti, hogy áram jön létre a vezetékben (például egyenáramot használunk feltöltött kondenzátor).
100 a vezetékünkben lévő vénák hossza kilométerben, 300 000 kilométer per másodperc a fény sebessége – a terjedési sebesség elektromágneses hullám légüres térben. Igen, az "elektronok mozgása" fénysebességgel fog terjedni a vezeték mentén.
De az a tény, hogy az elektronok egymás után kezdenek fénysebességgel mozogni, egyáltalán nem jelenti azt, hogy maguk az elektronok is ilyen óriási sebességgel mozognak a vezetékben. Fémvezetőben, elektrolitban vagy más vezető közegben lévő elektronok vagy ionok nem tudnak ilyen gyorsan mozogni, vagyis a töltéshordozók nem mozognak egymáshoz képest fénysebességgel.
A fénysebesség ebben az esetben az a sebesség, amellyel a huzalban a töltéshordozók egymás után elkezdenek mozogni, vagyis a töltéshordozók transzlációs mozgásának terjedési sebessége. Maguk a töltéshordozók "sodródási sebessége" egyenáram mellett, mondjuk egy rézhuzalban, mindössze néhány milliméter másodpercenként!
Tegyük világossá ezt a pontot. Tegyük fel, hogy van egy feltöltött kondenzátorunk, amihez a kondenzátortól 100 kilométerre faluban szerelt izzónkból hosszú vezetékeket rögzítünk. A vezetékek bekötése, vagyis az áramkör lezárása kapcsolóval történik manuálisan.
Mi fog történni? Amikor a kapcsoló zárva van, a töltött részecskék elkezdenek mozogni a vezetékek azon részein, amelyek a kondenzátorhoz vannak csatlakoztatva. Az elektronok elhagyják a kondenzátor negatív lemezét, a kondenzátor dielektrikumában az elektromos mező csökken, az ellenkező (pozitív) lemez pozitív töltése csökken - az elektronok áramlanak bele a csatlakoztatott vezetékből.
Így a lemezek közötti potenciálkülönbség csökken.És mivel a kondenzátorral szomszédos vezetékekben lévő elektronok elkezdtek mozogni, a vezetéken lévő távoli helyekről más elektronok jönnek a helyükre, más szóval az elektronok újraeloszlásának folyamata a vezetékben az elektromos mező hatására kezdődik. zárt körben. Ez a folyamat tovább terjed a vezeték mentén, és végül eléri a jelzőlámpa izzószálát.
Tehát az elektromos tér változása fénysebességgel terjed a vezeték mentén, aktiválva az áramkörben lévő elektronokat. De maguk az elektronok sokkal lassabban mozognak.
Mielőtt továbbmennénk, vegyünk egy hidraulikus analógiát. Hagyja, hogy az ásványvíz egy csövön keresztül a faluból a városba folyjon. A délelőtt a faluban beindították a szivattyút, és elkezdte növelni a víznyomást a csőben, hogy a falu forrásából a vizet a városba kényszerítse.A nyomásváltozás nagyon gyorsan, sebességgel terjed a vezeték mentén. kb. 1400 km/s (függ a víz sűrűségétől, hőmérsékletétől, a nyomás nagyságától).
Egy másodperc töredékével a szivattyú bekapcsolása után a faluban megindult a víz a városba. De vajon ez ugyanaz a víz, amely jelenleg átfolyik a falun? Nem! A példánkban szereplő vízmolekulák lökdösik egymást, és maguk is sokkal lassabban mozognak, mivel eltérésük sebessége a nyomás nagyságától függ. A molekulák egymás elleni zúzása sok nagyságrenddel gyorsabban terjed, mint a molekulák mozgása a cső mentén.
Így van ez az elektromos árammal is: az elektromos tér terjedési sebessége hasonló a nyomás terjedéséhez, az áramot alkotó elektronok mozgási sebessége pedig a vízmolekulák közvetlen mozgásához.
Most térjünk vissza közvetlenül az elektronokhoz. Az elektronok (vagy más töltéshordozók) rendezett mozgásának sebességét sodródási sebességnek nevezzük. Az elektronjai a cselekvés révén nyernek külső elektromos mező.
Ha nincs külső elektromos tér, akkor az elektronok kaotikusan csak hőmozgás hatására mozognak a vezető belsejében, de nincs irányított áram, ezért a sodródási sebesség átlagosan nulla.
Ha egy vezetőre külső elektromos mezőt hozunk, akkor a vezető anyagától, a töltéshordozók tömegétől és töltésétől, a hőmérséklettől, a potenciálkülönbségtől függően a töltéshordozók elkezdenek mozogni, de a sebességtől függően ennek a mozgásnak a fénysebességénél lényegesen kisebb lesz, körülbelül 0,5 mm/s (egy 1 mm2 keresztmetszetű rézhuzalnál, amelyen 10 A áram folyik át, az elektronsodródás átlagos sebessége 0,6– 6 mm/s).
Ez a sebesség függ a szabad töltéshordozók koncentrációjától az n vezetőben, az S vezető keresztmetszeti területétől, az e részecske töltésétől, az I áram nagyságától. Mint látható, ennek ellenére az a tény, hogy az elektromos áram (az elektromágneses hullám eleje) fénysebességgel terjed a vezeték mentén, maguk az elektronok sokkal lassabban mozognak. Kiderült, hogy az áram sebessége nagyon alacsony.