Sähkövirran nopeus

Tehdään tämä ajatuskoe. Kuvittele, että 100 kilometrin etäisyydellä kaupungista on kylä ja että kaupungista tuohon kylään vedetään noin 100 kilometriä pitkä langallinen signaalijohto, jonka päässä on lamppu. Suojattu kaksiytiminen linja, se on asetettu tukiin tien varrella. Ja jos lähetämme nyt signaalin tällä linjalla kaupungista kylään, kuinka kauan kestää, että se vastaanotetaan siellä?

Laskelmat ja kokemus osoittavat, että hehkulampun muodossa oleva signaali ilmaantuu toiseen päähän vähintään 100/300000 sekunnissa eli vähintään 333,3 μs:ssa (johtimen induktanssia huomioimatta) kylässä syttyy valo, mikä tarkoittaa, että johtoon muodostuu virta (esim. käytämme tasavirtaa ladattu kondensaattori). 

100 on jokaisen suonen pituus johdossamme kilometreinä ja 300 000 kilometriä sekunnissa on valon nopeus – etenemisnopeus sähkömagneettinen aalto tyhjiössä. Kyllä, "elektronien liike" etenee johtoa pitkin valon nopeudella.

Mutta se, että elektronit alkavat liikkua peräkkäin valon nopeudella, ei tarkoita ollenkaan, että elektronit itse liikkuisivat johdossa niin valtavalla nopeudella. Metallijohtimessa, elektrolyytissä tai muussa johtavassa väliaineessa olevat elektronit tai ionit eivät voi liikkua niin nopeasti, eli varauksenkantajat eivät liiku suhteessa toisiinsa valonnopeudella.

Valon nopeus on tässä tapauksessa nopeus, jolla langan varauksenkantajat alkavat liikkua peräkkäin, eli se on varauksenkuljettajien translaatioliikkeen etenemisnopeus. Varauksenkuljettajilla itsellään on "ryömintänopeus" tasavirralla, vaikkapa kuparilangassa, vain muutama millimetri sekunnissa!

Tehdään tämä kohta selväksi. Oletetaan, että meillä on ladattu kondensaattori ja siihen kiinnitämme pitkät johdot kylässä 100 kilometrin etäisyydelle kondensaattorista asennetusta lampustamme. Johtojen kytkeminen eli piirin sulkeminen tapahtuu kytkimellä manuaalisesti.

Mitä tapahtuu? Kun kytkin on kiinni, varautuneet hiukkaset alkavat liikkua niissä johtojen osissa, jotka on kytketty kondensaattoriin. Elektronit poistuvat kondensaattorin negatiivisesta levystä, sähkökenttä kondensaattorin eristeessä pienenee, vastakkaisen (positiivisen) levyn positiivinen varaus pienenee - elektronit virtaavat siihen kytketystä johdosta.

Siten levyjen välinen potentiaaliero pienenee.Ja koska kondensaattorin viereisten johtojen elektronit alkoivat liikkua, muut elektronit langan kaukaisista paikoista tulevat paikoilleen, toisin sanoen elektronien uudelleenjakautumisprosessi johdossa alkaa sähkökentän vaikutuksesta. suljetussa piirissä. Tämä prosessi leviää pidemmälle johtoa pitkin ja saavuttaa lopulta merkkilampun hehkulangan.

Joten muutos sähkökentässä etenee johtoa pitkin valon nopeudella aktivoiden elektronit piirissä. Mutta itse elektronit liikkuvat paljon hitaammin.

Ennen kuin menemme pidemmälle, harkitse hydraulista analogiaa. Anna kivennäisveden virrata kylältä putken kautta kaupunkiin. Aamulla kylässä käynnistettiin pumppu ja se alkoi nostaa vedenpainetta putkessa pakottaakseen kylän lähteen veden siirtymään kaupunkiin.Paineenmuutos leviää putkilinjaa pitkin hyvin nopeasti, nopeudella noin 1400 km/s (se riippuu veden tiheydestä, sen lämpötilasta, paineen suuruudesta).

Sekunnin murto-osan kuluttua pumpun käynnistämisestä kylässä alkoi vesi kulkea kaupunkiin. Mutta onko tämä sama vesi, joka tällä hetkellä virtaa kylän läpi? Ei! Esimerkissämme vesimolekyylit työntävät toisiaan ja ne itse liikkuvat paljon hitaammin, koska niiden poikkeaman nopeus riippuu paineen suuruudesta. Molekyylien murskautuminen toisiaan vastaan ​​etenee monta suuruusluokkaa nopeammin kuin molekyylien liike putkea pitkin.

Näin on myös sähkövirran kanssa: sähkökentän etenemisnopeus on samanlainen kuin paineen eteneminen, ja virran muodostavien elektronien liikenopeus on samanlainen kuin vesimolekyylien suora liike.

Palataan nyt suoraan elektroneihin. Elektronien (tai muiden varauksenkuljettajien) säännöllisen liikkeen nopeutta kutsutaan ryömintänopeudeksi. Sen elektronit saavat toiminnan kautta ulkoinen sähkökenttä. 

Jos ulkoista sähkökenttää ei ole, elektronit liikkuvat kaoottisesti johtimen sisällä vain lämpöliikkeellä, mutta suunnattua virtaa ei ole, ja siksi ryömintänopeus on keskimäärin nolla.

Jos johtimeen kohdistetaan ulkoinen sähkökenttä, niin johtimen materiaalista, varauksenkuljettajien massasta ja varauksesta, lämpötilasta, potentiaalierosta riippuen varauksenkantajat alkavat liikkua, mutta nopeus tästä liikkeestä tulee olemaan merkittävästi vähemmän kuin valon nopeus, noin 0,5 mm sekunnissa (poikkileikkaukseltaan 1 mm2 kuparilangalla, jonka läpi kulkee 10 A virta, elektronien kulkeutumisen keskinopeus on 0,6– 6 mm/s).

Tämä nopeus riippuu vapaiden varauksenkuljettajien pitoisuudesta johtimessa n, johtimen S poikkileikkauspinta-alasta, hiukkasen e varauksesta, virran I suuruudesta. Kuten näette, huolimatta se tosiasia, että sähkövirta (sähkömagneettisen aallon etuosa) etenee johtoa pitkin valon nopeudella, elektronit itse liikkuvat paljon hitaammin. Osoittautuu, että virran nopeus on erittäin alhainen.