Електричний струм і його швидкість

Життя сучасної людини повне комфорту. Сьогодні ми маємо всі блага цивілізації у вільному доступі. Головним досягненням, яке удосконалювалося протягом довгого часу, є електрична енергія, доступна практично в будь-якій частині світу. Ми звикли до того, що електроенергія всюди і замислюємося про неї лише в той момент, коли вона раптово зникає. Насправді явище електрики таїть в собі багато цікавого, що бажано було б знати кожній людині.

Наприклад, одним з питань, яким потрібно задатися, є швидкість електричного струму. Мало хто думав про те, як швидко запалиться лампочка, що знаходиться в сотні кілометрів від джерела енергії. Це питання актуальне для населених пунктів, які знаходяться далеко від цивілізації.

Дослідним шляхом вченими і дослідниками було доведено, що електричний сигнал рухається по кабелю зі швидкістю світла, а саме 300 тисяч км / сек.

Важливо відзначити, що електрони і іони в провіднику при цьому рухаються зовсім не з такою швидкістю. Вони просто на просто не можуть мати таку високу швидкість в провідному матеріалі.

Під швидкістю світла у випадку з електричним струмом розуміється показник швидкості, з яким заряджені частинки починають рухатися один за одним, а не рухаються відносно один одного. Носії заряду при цьому мають середньою швидкістю, рівній, як правило, кількох міліметрів за 1 сек.

Більш докладно пояснимо дану ситуацію прикладом:

До зарядженого конденсатора приєднуються проводи великої довжини, що йдуть до лампи, що знаходиться на відстані близько 100 км. Замикання ланцюга відбувається вручну. Після цього носії зарядів приходять в рух на тому відрізку проводу, який підключений до конденсатора. При цьому починається покидання електронами мінусовій обкладки конденсатора, отже, відбувається зменшення електричного поля в конденсаторі паралельно зі зменшенням плюсовій обкладання.

Таким чином, між обкладинками скорочується різниця потенціалів. При цьому електрони, що прийшли в рух, приходять на місце тих, що пішли. Тобто, запущений процес перерозподілу електронів усередині проводу за рахунок впливу електричного поля. Даний процес зростає, як снігова куля, і переходить далі по всій довжині дроту, досягаючи в підсумку нитки розжарювання лампи.

Виходить, що зміни в стані електричного поля поширюються всередині провідника зі швидкістю, яка дорівнює швидкості світла. При цьому відбувається активація електронів в електричному ланцюзі з аналогічною швидкістю. Хоча самі електрони рухаються один за одним по провіднику з набагато меншою швидкістю.

Тепер розберемося в явищі гідравлічної аналогією. Розглянемо це поняття на прикладі руху водного потоку з пункту А в пункт Б.

Припустимо, що з невеликого населеного пункту по трубі в місто надходить вода. Для цього функціонує спеціальний насос, який підвищує тиск всередині труби, і вода під впливом тиску рухається набагато швидше. Найменші зміни в тиску по трубі поширюються дуже швидко (приблизно 1400 км / сек). Швидкість поширення даних змін безпосередньо залежить від показника щільності рідини, її температури і ступеня чиниться тиску. Через зовсім короткий проміжок часу (частка секунди) вода вже надійшла в місто. Але це вже зовсім інша вода. Адже молекули в її складі провокують рух один одного через зіткнення між собою. При цьому швидкість руху даних молекул набагато менше, адже дрейфова швидкість має прямий зв’язок з силою напору. Тобто, зіткнення молекул один з одним поширюються дуже швидко, а швидкість однієї молекули при цьому не збільшується.

Абсолютно аналогічний процес відбувається з електричним струмом. Проведемо паралелі: швидкість поширення поля є швидкість поширення тиску, а швидкість руху молекул, отже, є швидкість електронів, що створюють струм.

Дрейфова швидкість – це швидкість послідовного руху заряджених частинок. Електронами дана швидкість купується за рахунок дії зовнішнього електричного поля.

У разі, якщо зовнішнє електричне поле відсутнє, то рух електронів усередині провідника відбувається хаотично. Іншими словами, конкретного напрямку у електричного струму немає, а дрейфова швидкість при цьому нульова.

При наявності зовнішнього електричного поля у провідника носії заряду починають рухатися, швидкість якого залежить від ряду факторів (концентрація вільних електронів, площа перетину дроту, величини струму).

Таким чином, електричний струм має швидкість поширення по провіднику дорівнює швидкості світла. При цьому швидкість руху струму в провіднику – дуже мала.

Посилання на основну публікацію