Kelajuan arus elektrik

Jom buat eksperimen pemikiran ini. Bayangkan bahawa terdapat sebuah kampung pada jarak 100 kilometer dari bandar dan garis isyarat wayar kira-kira 100 kilometer panjang dengan mentol di hujungnya diletakkan dari bandar ke kampung itu. Garisan dua teras terlindung, ia diletakkan pada sokongan di sepanjang jalan. Dan jika kita kini menghantar isyarat melalui talian ini dari bandar ke kampung, berapa lama masa yang diperlukan untuk ia diterima di sana?

Pengiraan dan pengalaman memberitahu kami bahawa isyarat dalam bentuk mentol lampu akan muncul di hujung yang lain dalam sekurang-kurangnya 100/300000 saat, iaitu, dalam sekurang-kurangnya 333.3 μs (tanpa mengambil kira induktansi wayar) dalam kampung akan lampu akan menyala, yang bermaksud bahawa arus akan diwujudkan dalam wayar (contohnya, kita menggunakan arus terus kapasitor bercas). 

100 ialah panjang setiap urat dalam wayar kita dalam kilometer, dan 300,000 kilometer sesaat ialah kelajuan cahaya—kelajuan perambatan gelombang elektromagnet dalam vakum. Ya, "gerakan elektron" akan merambat sepanjang wayar pada kelajuan cahaya.

Tetapi hakikat bahawa elektron mula bergerak satu demi satu pada kelajuan cahaya tidak bermakna sama sekali bahawa elektron itu sendiri bergerak dalam wayar pada kelajuan yang begitu hebat. Elektron atau ion dalam konduktor logam, dalam elektrolit, atau dalam medium konduktif lain tidak boleh bergerak secepat itu, iaitu, pembawa cas tidak bergerak relatif antara satu sama lain pada kelajuan cahaya.

Kelajuan cahaya dalam kes ini ialah kelajuan di mana pembawa caj dalam wayar mula bergerak satu demi satu, iaitu, ia adalah kelajuan perambatan gerakan translasi pembawa caj. Pembawa cas itu sendiri mempunyai "halaju hanyut" pada arus terus, katakan dalam wayar kuprum, hanya beberapa milimeter sesaat!

Mari kita jelaskan perkara ini. Katakan kita mempunyai kapasitor yang dicas dan padanya kita memasang wayar panjang dari mentol lampu kita yang dipasang di sebuah kampung pada jarak 100 kilometer dari kapasitor. Menyambung wayar, iaitu menutup litar, dilakukan dengan suis secara manual.

Apa yang akan berlaku? Apabila suis ditutup, zarah bercas mula bergerak di bahagian wayar yang disambungkan ke kapasitor. Elektron meninggalkan plat negatif kapasitor, medan elektrik dalam dielektrik kapasitor berkurangan, caj positif plat bertentangan (positif) berkurangan - elektron mengalir ke dalamnya dari wayar yang disambungkan.

Oleh itu, beza keupayaan antara plat berkurangan.Dan oleh kerana elektron dalam wayar yang bersebelahan dengan kapasitor mula bergerak, elektron lain dari tempat yang jauh pada wayar datang ke tempat mereka, dengan kata lain, proses pengagihan semula elektron dalam wayar bermula kerana tindakan medan elektrik. dalam litar tertutup. Proses ini merebak lebih jauh di sepanjang wayar dan akhirnya sampai ke filamen lampu isyarat.

Jadi perubahan dalam medan elektrik merambat sepanjang wayar pada kelajuan cahaya, mengaktifkan elektron dalam litar. Tetapi elektron itu sendiri bergerak lebih perlahan.

Sebelum kita pergi lebih jauh, pertimbangkan analogi hidraulik. Biarkan air mineral mengalir dari kampung ke bandar melalui paip. Pada waktu pagi, pam telah dimulakan di kampung dan ia mula meningkatkan tekanan air dalam paip untuk memaksa air dari sumber kampung berpindah ke bandar. Perubahan tekanan merebak di sepanjang saluran paip dengan sangat cepat, pada kelajuan kira-kira 1400 km / s (ia bergantung kepada ketumpatan air, dari suhunya, dari magnitud tekanan).

Beberapa saat selepas pam dihidupkan di kampung, air mula bergerak ke bandar. Tetapi adakah ini air yang sama yang kini mengalir melalui kampung? Tidak! Molekul air dalam contoh kita menolak satu sama lain dan mereka sendiri bergerak lebih perlahan, kerana kelajuan sisihan mereka bergantung pada magnitud tekanan. Penghancuran molekul terhadap satu sama lain merambat banyak urutan magnitud lebih cepat daripada pergerakan molekul di sepanjang tiub.

Begitu juga dengan arus elektrik: kelajuan perambatan medan elektrik adalah serupa dengan perambatan tekanan, dan kelajuan pergerakan elektron yang membentuk arus adalah serupa dengan pergerakan molekul air secara langsung.

Sekarang mari kita kembali terus kepada elektron. Kadar pergerakan teratur elektron (atau pembawa cas lain) dipanggil kadar hanyutan. Elektronnya mendapat melalui tindakan medan elektrik luaran. 

Sekiranya tiada medan elektrik luaran, maka elektron bergerak secara huru-hara di dalam konduktor hanya dengan gerakan terma, tetapi tidak ada arus terarah, dan oleh itu kelajuan hanyut secara purata ternyata menjadi sifar.

Jika medan elektrik luaran dikenakan pada konduktor, maka bergantung pada bahan konduktor, pada jisim dan cas pembawa cas, pada suhu, pada beza potensi, pembawa cas akan mula bergerak, tetapi kelajuan pergerakan ini akan menjadi kurang ketara daripada kelajuan cahaya, kira-kira 0.5 mm sesaat (untuk wayar kuprum dengan keratan rentas 1 mm2, di mana arus 10 A mengalir, kelajuan purata hanyutan elektron ialah 0.6– 6 mm / s).

Kelajuan ini bergantung pada kepekatan pembawa cas percuma dalam konduktor n, pada luas keratan rentas konduktor S, pada cas zarah e, ​​pada magnitud arus I. Seperti yang anda lihat, walaupun hakikat bahawa arus elektrik (depan gelombang elektromagnet) merambat sepanjang wayar pada kelajuan cahaya, elektron sendiri bergerak lebih perlahan. Ternyata kelajuan arus adalah kelajuan yang sangat rendah.