Elektros srovės greitis
Atlikime šį minties eksperimentą. Įsivaizduokite, kad 100 kilometrų atstumu nuo miesto yra kaimas ir iš miesto į tą kaimą nutiesta maždaug 100 kilometrų ilgio laidinė signalinė linija su lempute gale. Ekranuota dviejų gyslų linija, ji klojama ant atramų palei kelią. Ir jei dabar mes siųsime signalą šia linija iš miesto į kaimą, kiek laiko užtruks, kol jis ten bus priimtas?
Skaičiavimai ir patirtis rodo, kad lemputės pavidalo signalas kitame gale pasirodys mažiausiai per 100/300000 sekundžių, tai yra mažiausiai per 333,3 μs (neatsižvelgiant į laido induktyvumą) kaime užsidegs lemputė, o tai reiškia, kad laide bus nustatyta srovė (pavyzdžiui, mes naudojame nuolatinę įkrautas kondensatorius).
100 yra kiekvienos mūsų laido venos ilgis kilometrais, o 300 000 kilometrų per sekundę yra šviesos greitis - sklidimo greitis elektromagnetinė banga vakuume. Taip, „elektronų judėjimas“ sklis viela šviesos greičiu.
Tačiau tai, kad elektronai vienas po kito pradeda judėti šviesos greičiu, visiškai nereiškia, kad patys elektronai juda laidoje tokiu milžinišku greičiu. Elektronai ar jonai metaliniame laidininke, elektrolite ar kitoje laidžioje terpėje negali taip greitai judėti, tai yra, krūvininkai nejuda vienas kito atžvilgiu šviesos greičiu.
Šviesos greitis šiuo atveju yra greitis, kuriuo laidoje esantys krūvininkai pradeda judėti vienas po kito, tai yra, tai yra krūvininkų transliacinio judėjimo sklidimo greitis. Pačių krūvininkų „dreifavimo greitis“ esant nuolatinei srovei, tarkime, varinėje laidoje, yra tik keli milimetrai per sekundę!
Paaiškinkime šį dalyką. Tarkime, turime įkrautą kondensatorių ir prie jo pritvirtiname ilgus laidus iš savo lemputės, sumontuotos kaime 100 kilometrų atstumu nuo kondensatoriaus. Laidų prijungimas, tai yra grandinės uždarymas, atliekamas jungikliu rankiniu būdu.
Kas nutiks? Kai jungiklis uždarytas, įkrautos dalelės pradeda judėti tose laidų dalyse, kurios yra prijungtos prie kondensatoriaus. Elektronai palieka neigiamą kondensatoriaus plokštelę, kondensatoriaus dielektrike sumažėja elektrinis laukas, mažėja priešingos (teigiamos) plokštės teigiamas krūvis — iš prijungto laido į ją teka elektronai.
Taigi potencialų skirtumas tarp plokščių mažėja.Ir kadangi elektronai greta kondensatoriaus esančiuose laiduose pradėjo judėti, kiti elektronai iš tolimų laido vietų patenka į savo vietas, kitaip tariant, elektronų persiskirstymo procesas laidoje prasideda dėl elektrinio lauko veikimo. uždaroje grandinėje. Šis procesas plinta toliau išilgai laido ir galiausiai pasiekia signalinės lempos siūlelį.
Taigi elektrinio lauko pokytis sklinda išilgai laido šviesos greičiu, aktyvuodamas elektronus grandinėje. Tačiau patys elektronai juda daug lėčiau.
Prieš eidami toliau, apsvarstykite hidraulinę analogiją. Tegul mineralinis vanduo vamzdžiu nuteka iš kaimo į miestą. ryte kaime buvo paleistas siurblys ir pradėjo didinti vandens slėgį vamzdyje, kad vanduo iš kaimo šaltinio tekėtų į miestą.Slėgio pokytis vamzdynu plinta labai greitai, greičiu. apie 1400 km/s (tai priklauso nuo vandens tankio, nuo jo temperatūros, nuo slėgio dydžio).
Po to, kai kaime buvo įjungtas siurblys, po sekundės dalies į miestą pradėjo plūsti vanduo. Bet ar tai tas pats vanduo, kuris šiuo metu teka per kaimą? Ne! Mūsų pavyzdyje esančios vandens molekulės stumia viena kitą ir pačios juda daug lėčiau, nes jų nukrypimo greitis priklauso nuo slėgio dydžio. Molekulių gniuždymas viena prieš kitą plinta daugybe dydžių greičiau nei molekulių judėjimas vamzdžiu.
Taip yra ir su elektros srove: elektrinio lauko sklidimo greitis panašus į slėgio sklidimą, o srovę formuojančių elektronų judėjimo greitis panašus į vandens molekulių judėjimą tiesiogiai.
Dabar grįžkime tiesiai prie elektronų. Tvarkingo elektronų (ar kitų krūvininkų) judėjimo greitis vadinamas dreifo greičiu. Jo elektronai įgyja per veiksmą išorinis elektrinis laukas.
Jei nėra išorinio elektrinio lauko, elektronai chaotiškai juda laidininko viduje tik šiluminiu judesiu, tačiau nėra kryptingos srovės, todėl dreifo greitis vidutiniškai yra lygus nuliui.
Jei laidininkui veikia išorinis elektrinis laukas, tai priklausomai nuo laidininko medžiagos, nuo krūvininkų masės ir krūvio, nuo temperatūros, nuo potencialų skirtumo, krūvininkai pradės judėti, bet greitis šio judėjimo bus žymiai mažesnis už šviesos greitį, apie 0,5 mm per sekundę (varinei vielai, kurios skerspjūvis 1 mm2, per kurią teka 10 A srovė, vidutinis elektronų dreifo greitis bus 0,6– 6 mm/s).
Šis greitis priklauso nuo laisvųjų krūvininkų koncentracijos laidininke n, nuo laidininko S skerspjūvio ploto, nuo dalelės e krūvio, nuo srovės I dydžio. Kaip matote, nepaisant tai, kad elektros srovė (elektromagnetinės bangos priekis) sklinda palei laidą šviesos greičiu, patys elektronai juda daug lėčiau. Pasirodo, srovės greitis yra labai mažas.