Ταχύτητα ηλεκτρικού ρεύματος

Ας κάνουμε αυτό το πείραμα σκέψης. Φανταστείτε ότι υπάρχει ένα χωριό σε απόσταση 100 χιλιομέτρων από την πόλη και ότι μια ενσύρματη γραμμή σήματος μήκους περίπου 100 χιλιομέτρων με μια λάμπα στο τέλος τοποθετείται από την πόλη προς το χωριό. Μια θωρακισμένη γραμμή δύο πυρήνων, τοποθετείται σε στηρίγματα κατά μήκος του δρόμου. Και αν τώρα στείλουμε ένα σήμα μέσω αυτής της γραμμής από πόλη σε χωριό, πόσο καιρό θα χρειαστεί για να ληφθεί εκεί;

Οι υπολογισμοί και η εμπειρία μας λένε ότι ένα σήμα με τη μορφή λαμπτήρα θα εμφανιστεί στο άλλο άκρο σε τουλάχιστον 100/300000 δευτερόλεπτα, δηλαδή σε τουλάχιστον 333,3 μs (χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η επαγωγή του σύρματος) στο χωριό θα ανάψει ένα φως, που σημαίνει ότι θα δημιουργηθεί ρεύμα στο καλώδιο (για παράδειγμα, χρησιμοποιούμε συνεχές ρεύμα φορτισμένος πυκνωτής). 

100 είναι το μήκος κάθε φλέβας στο σύρμα μας σε χιλιόμετρα και 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο είναι η ταχύτητα του φωτός—η ταχύτητα διάδοσης ηλεκτρομαγνητικό κύμα στο κενό. Ναι, η «κίνηση των ηλεκτρονίων» θα διαδοθεί κατά μήκος του σύρματος με την ταχύτητα του φωτός.

Αλλά το γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται το ένα μετά το άλλο με την ταχύτητα του φωτός δεν σημαίνει καθόλου ότι τα ίδια τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα στο σύρμα με τόσο τρομερή ταχύτητα. Τα ηλεκτρόνια ή τα ιόντα σε έναν μεταλλικό αγωγό, σε έναν ηλεκτρολύτη ή σε άλλο αγώγιμο μέσο δεν μπορούν να κινηθούν τόσο γρήγορα, δηλαδή οι φορείς φορτίου δεν κινούνται μεταξύ τους με την ταχύτητα του φωτός.

Η ταχύτητα του φωτός σε αυτή την περίπτωση είναι η ταχύτητα με την οποία οι φορείς φορτίου στο σύρμα αρχίζουν να κινούνται ο ένας μετά τον άλλον, δηλαδή είναι η ταχύτητα διάδοσης της μεταφορικής κίνησης των φορέων φορτίου. Οι ίδιοι οι φορείς φόρτισης έχουν «ταχύτητα μετατόπισης» στο συνεχές ρεύμα, ας πούμε σε ένα χάλκινο σύρμα, μόλις μερικά χιλιοστά το δευτερόλεπτο!

Ας ξεκαθαρίσουμε αυτό το σημείο. Ας πούμε ότι έχουμε έναν φορτισμένο πυκνωτή και σε αυτόν συνδέουμε μακριά καλώδια από τη λάμπα μας που είναι εγκατεστημένη σε ένα χωριό σε απόσταση 100 χιλιομέτρων από τον πυκνωτή. Η σύνδεση των καλωδίων, δηλαδή το κλείσιμο του κυκλώματος, γίνεται με διακόπτη χειροκίνητα.

Τι θα συμβεί? Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, τα φορτισμένα σωματίδια αρχίζουν να κινούνται σε εκείνα τα μέρη των καλωδίων που είναι συνδεδεμένα με τον πυκνωτή. Τα ηλεκτρόνια αφήνουν την αρνητική πλάκα του πυκνωτή, το ηλεκτρικό πεδίο στο διηλεκτρικό του πυκνωτή μειώνεται, το θετικό φορτίο της αντίθετης (θετικής) πλάκας μειώνεται - ηλεκτρόνια ρέουν σε αυτό από το συνδεδεμένο καλώδιο.

Έτσι, η διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών μειώνεται.Και δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια στα καλώδια δίπλα στον πυκνωτή άρχισαν να κινούνται, άλλα ηλεκτρόνια από μακρινά σημεία του σύρματος έρχονται στις θέσεις τους, με άλλα λόγια, η διαδικασία ανακατανομής των ηλεκτρονίων στο σύρμα ξεκινά λόγω της δράσης ενός ηλεκτρικού πεδίου σε κλειστό κύκλωμα. Αυτή η διαδικασία απλώνεται περαιτέρω κατά μήκος του σύρματος και τελικά φτάνει στο νήμα της λυχνίας σήματος.

Έτσι η αλλαγή στο ηλεκτρικό πεδίο διαδίδεται κατά μήκος του σύρματος με την ταχύτητα του φωτός, ενεργοποιώντας τα ηλεκτρόνια στο κύκλωμα. Αλλά τα ίδια τα ηλεκτρόνια κινούνται πολύ πιο αργά.

Πριν προχωρήσουμε περαιτέρω, εξετάστε μια υδραυλική αναλογία. Αφήστε το μεταλλικό νερό να κυλήσει από το χωριό στην πόλη μέσω ενός σωλήνα. Το πρωί, ξεκίνησε μια αντλία στο χωριό και άρχισε να αυξάνει την πίεση του νερού στο σωλήνα για να αναγκάσει το νερό από την πηγή του χωριού να μετακινηθεί προς την πόλη. Η αλλαγή της πίεσης εξαπλώνεται κατά μήκος του αγωγού πολύ γρήγορα, με ταχύτητα περίπου 1400 km / s (εξαρτάται από την πυκνότητα του νερού, από τη θερμοκρασία του, από το μέγεθος της πίεσης).

Ένα κλάσμα του δευτερολέπτου αφότου άνοιξε η αντλία στο χωριό, το νερό άρχισε να κινείται στην πόλη. Είναι όμως αυτό το ίδιο νερό που τρέχει αυτή τη στιγμή στο χωριό; Οχι! Τα μόρια του νερού στο παράδειγμά μας σπρώχνουν το ένα το άλλο και τα ίδια κινούνται πολύ πιο αργά, αφού η ταχύτητα της απόκλισής τους εξαρτάται από το μέγεθος της πίεσης. Η σύνθλιψη των μορίων μεταξύ τους διαδίδεται πολλές τάξεις μεγέθους πιο γρήγορα από την κίνηση των μορίων κατά μήκος του σωλήνα.

Έτσι συμβαίνει και με το ηλεκτρικό ρεύμα: η ταχύτητα διάδοσης ενός ηλεκτρικού πεδίου είναι παρόμοια με τη διάδοση της πίεσης και η ταχύτητα κίνησης των ηλεκτρονίων που σχηματίζουν ένα ρεύμα είναι παρόμοια με την απευθείας κίνηση των μορίων του νερού.

Τώρα ας επιστρέψουμε απευθείας στα ηλεκτρόνια. Ο ρυθμός εύρυθμης κίνησης των ηλεκτρονίων (ή άλλων φορέων φορτίου) ονομάζεται ρυθμός μετατόπισης. Τα ηλεκτρόνια του κερδίζουν μέσω της δράσης εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. 

Εάν δεν υπάρχει εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, τότε τα ηλεκτρόνια κινούνται χαοτικά μέσα στον αγωγό μόνο με θερμική κίνηση, αλλά δεν υπάρχει κατευθυνόμενο ρεύμα και επομένως η ταχύτητα μετατόπισης κατά μέσο όρο αποδεικνύεται μηδενική.

Εάν εφαρμοστεί εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο σε έναν αγωγό, τότε ανάλογα με το υλικό του αγωγού, τη μάζα και το φορτίο των φορέων φορτίου, τη θερμοκρασία, τη διαφορά δυναμικού, οι φορείς φορτίου θα αρχίσουν να κινούνται, αλλά η ταχύτητα αυτής της κίνησης θα είναι σημαντικά μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός, περίπου 0,5 mm ανά δευτερόλεπτο (για ένα χάλκινο σύρμα με διατομή 1 mm2, μέσω του οποίου ρέει ρεύμα 10 Α, η μέση ταχύτητα μετατόπισης ηλεκτρονίων θα είναι 0,6– 6 mm / s).

Αυτή η ταχύτητα εξαρτάται από τη συγκέντρωση των φορέων ελεύθερου φορτίου στον αγωγό n, από την περιοχή διατομής του αγωγού S, από το φορτίο του σωματιδίου e, από το μέγεθος του ρεύματος I. Όπως μπορείτε να δείτε, παρά Το γεγονός ότι το ηλεκτρικό ρεύμα (το μπροστινό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού κύματος) διαδίδεται κατά μήκος του σύρματος με την ταχύτητα του φωτός, τα ίδια τα ηλεκτρόνια κινούνται πολύ πιο αργά. Αποδεικνύεται ότι η ταχύτητα του ρεύματος είναι πολύ χαμηλή ταχύτητα.