Prędkość prądu elektrycznego

Zróbmy taki eksperyment myślowy. Wyobraźmy sobie, że w odległości 100 km od miasta znajduje się wioska i że z miasta do tej wsi poprowadzony jest przewód sygnałowy o długości około 100 km z żarówką na końcu. Ekranowana dwużyłowa linia, układana jest na podporach wzdłuż drogi. A jeśli teraz wyślemy sygnał tą linią od miasta do wsi, to po jakim czasie zostanie tam odebrany?

Obliczenia i doświadczenie mówią nam, że sygnał w postaci żarówki pojawi się na drugim końcu co najmniej za 100/300000 sekund, czyli co najmniej 333,3 μs (bez uwzględnienia indukcyjności przewodu) w wsi zapali się lampka, co oznacza, że ​​w przewodzie powstanie prąd (np. używamy prądu stałego o naładowany kondensator). 

100 to długość każdej żyły w naszym przewodzie w kilometrach, a 300 000 kilometrów na sekundę to prędkość światła – prędkość propagacji fala elektromagnetyczna w odkurzaczu. Tak, „ruch elektronów” będzie rozchodził się wzdłuż drutu z prędkością światła.

Ale fakt, że elektrony zaczynają poruszać się jeden po drugim z prędkością światła, wcale nie oznacza, że ​​same elektrony poruszają się w drucie z tak ogromną prędkością. Elektrony lub jony w przewodniku metalowym, elektrolicie lub innym ośrodku przewodzącym nie mogą poruszać się tak szybko, to znaczy nośniki ładunku nie poruszają się względem siebie z prędkością światła.

Prędkość światła w tym przypadku to prędkość, z jaką nośniki ładunku w drucie zaczynają się poruszać jeden po drugim, to znaczy jest to prędkość propagacji ruchu translacyjnego nośników ładunku. Same nośniki ładunku mają „prędkość dryfu” przy prądzie stałym, powiedzmy w drucie miedzianym, zaledwie kilka milimetrów na sekundę!

Wyjaśnijmy tę kwestię. Powiedzmy, że mamy naładowany kondensator i podłączamy do niego długie przewody z naszej żarówki zainstalowanej w wiosce w odległości 100 kilometrów od kondensatora. Podłączanie przewodów, czyli zamykanie obwodu, odbywa się ręcznie za pomocą przełącznika.

Co się stanie? Gdy przełącznik jest zamknięty, naładowane cząstki zaczynają się poruszać w tych częściach przewodów, które są podłączone do kondensatora. Elektrony opuszczają ujemną płytkę kondensatora, pole elektryczne w dielektryku kondensatora maleje, ładunek dodatni przeciwnej (dodatniej) płytki maleje - elektrony wpływają do niej z podłączonego drutu.

W ten sposób różnica potencjałów między płytami maleje.A ponieważ elektrony w przewodach sąsiadujących z kondensatorem zaczęły się poruszać, inne elektrony z odległych miejsc na drucie docierają na swoje miejsca, innymi słowy, proces redystrybucji elektronów w przewodzie rozpoczyna się w wyniku działania pola elektrycznego w obiegu zamkniętym. Proces ten rozprzestrzenia się dalej wzdłuż drutu i ostatecznie dociera do żarnika lampki sygnalizacyjnej.

Tak więc zmiana pola elektrycznego rozchodzi się wzdłuż drutu z prędkością światła, aktywując elektrony w obwodzie. Ale same elektrony poruszają się znacznie wolniej.

Zanim przejdziemy dalej, rozważmy analogię hydrauliczną. Niech woda mineralna płynie rurą ze wsi do miasta. Rano we wsi uruchomiono pompę, która zaczęła podnosić ciśnienie wody w rurze, aby zmusić wodę z wiejskiego źródła do przemieszczania się do miasta.Zmiana ciśnienia rozchodzi się wzdłuż rurociągu bardzo szybko, z prędkością około 1400 km/s (zależy to od gęstości wody, od jej temperatury, od wielkości ciśnienia).

Ułamek sekundy po włączeniu pompy w wiosce woda zaczęła napływać do miasta. Ale czy to ta sama woda, która obecnie płynie przez wioskę? NIE! Cząsteczki wody w naszym przykładzie popychają się nawzajem i same poruszają się znacznie wolniej, ponieważ prędkość ich odchylenia zależy od wielkości ciśnienia. Zgniatanie cząsteczek względem siebie rozchodzi się o wiele rzędów wielkości szybciej niż ruch cząsteczek wzdłuż rury.

Tak samo jest z prądem elektrycznym: prędkość propagacji pola elektrycznego jest podobna do propagacji ciśnienia, a prędkość ruchu elektronów tworzących prąd jest podobna do ruchu cząsteczek wody bezpośrednio.

Wróćmy teraz bezpośrednio do elektronów. Szybkość uporządkowanego ruchu elektronów (lub innych nośników ładunku) nazywana jest szybkością dryfu. Jego elektrony zyskują dzięki działaniu zewnętrzne pole elektryczne. 

Jeśli nie ma zewnętrznego pola elektrycznego, wówczas elektrony poruszają się chaotycznie wewnątrz przewodnika tylko przez ruch termiczny, ale nie ma prądu skierowanego, a zatem średnia prędkość dryfu wynosi zero.

Jeśli do przewodnika zostanie przyłożone zewnętrzne pole elektryczne, to w zależności od materiału przewodnika, masy i ładunku nośników ładunku, temperatury, różnicy potencjałów nośniki ładunku zaczną się poruszać, ale prędkość tego ruchu będzie znacznie mniejsza od prędkości światła, około 0,5 mm na sekundę (dla miedzianego drutu o przekroju 1 mm2, przez który przepływa prąd o natężeniu 10 A, średnia prędkość dryfu elektronów wyniesie 0,6– 6 mm/s).

Prędkość ta zależy od stężenia nośników ładunku swobodnego w przewodniku n, od pola przekroju przewodnika S, od ładunku cząstki e, od wielkości prądu I. Jak widać, pomimo fakt, że prąd elektryczny (czoło fali elektromagnetycznej) rozchodzi się wzdłuż drutu z prędkością światła, same elektrony poruszają się znacznie wolniej. Okazuje się, że prędkość prądu jest bardzo mała.