Elektriskās strāvas ātrums
Veiksim šo domu eksperimentu. Iedomājieties, ka 100 kilometru attālumā no pilsētas atrodas ciems un no pilsētas uz šo ciematu ir novilkta aptuveni 100 kilometrus gara vadu signāla līnija ar spuldzi galā. Ekranēta divdzīslu līnija, tā ir uzlikta uz balstiem gar ceļu. Un, ja mēs tagad sūtām signālu pa šo līniju no pilsētas uz ciemu, cik ilgs laiks paies, līdz tas tur tiks saņemts?
Aprēķini un pieredze liecina, ka signāls spuldzes formā parādīsies otrā galā vismaz pēc 100/300000 sekundēm, tas ir, vismaz pēc 333,3 μs (neņemot vērā vada induktivitāti) ciematā iedegsies gaisma, kas nozīmē, ka vadā tiks izveidota strāva (piemēram, mēs izmantojam līdzstrāvu uzlādēts kondensators).
100 ir katras stieples vēnas garums kilometros, un 300 000 kilometru sekundē ir gaismas ātrums — izplatīšanās ātrums elektromagnētiskais vilnis vakuumā. Jā, "elektronu kustība" izplatīsies pa vadu ar gaismas ātrumu.
Bet tas, ka elektroni sāk kustēties viens pēc otra ar gaismas ātrumu, nebūt nenozīmē, ka paši elektroni stieplē kustas ar tik milzīgu ātrumu. Elektroni vai joni metāla vadītājā, elektrolītā vai citā vadošā vidē nevar pārvietoties tik ātri, tas ir, lādiņnesēji nepārvietojas viens pret otru ar gaismas ātrumu.
Gaismas ātrums šajā gadījumā ir ātrums, ar kādu lādiņnesēji stieplē sāk kustēties viens pēc otra, tas ir, tas ir lādiņnesēju translācijas kustības izplatīšanās ātrums. Pašu lādiņu nesēju "drift ātrums" pie līdzstrāvas, teiksim, vara stieplē, ir tikai daži milimetri sekundē!
Paskaidrosim šo punktu. Pieņemsim, ka mums ir uzlādēts kondensators, un tam mēs pievienojam garus vadus no mūsu spuldzes, kas uzstādīta ciematā 100 kilometru attālumā no kondensatora. Vadu pievienošana, tas ir, ķēdes aizvēršana, tiek veikta ar slēdzi manuāli.
Kas notiks? Kad slēdzis ir aizvērts, lādētās daļiņas sāk kustēties tajās vadu daļās, kas ir savienotas ar kondensatoru. Elektroni atstāj kondensatora negatīvo plāksni, samazinās elektriskais lauks kondensatora dielektrikā, samazinās pretējās (pozitīvās) plāksnes pozitīvais lādiņš — no savienotā vada tajā ieplūst elektroni.
Tādējādi potenciālu starpība starp plāksnēm samazinās.Un tā kā elektroni vados, kas atrodas blakus kondensatoram, sāka kustēties, citi elektroni no attālām vietām uz stieples nonāk savās vietās, citiem vārdiem sakot, elektriskā lauka darbības dēļ sākas elektronu pārdales process vadā. slēgtā ķēdē. Šis process izplatās tālāk pa vadu un beidzot sasniedz signāllampas kvēldiegu.
Tātad elektriskā lauka izmaiņas izplatās pa vadu ar gaismas ātrumu, aktivizējot elektronus ķēdē. Bet paši elektroni kustas daudz lēnāk.
Pirms ejam tālāk, apsveriet hidraulisko analoģiju. Ļaujiet minerālūdenim plūst no ciemata uz pilsētu pa cauruli. No rīta ciematā tika iedarbināts sūknis un tas sāka paaugstināt ūdens spiedienu caurulē, lai piespiestu ūdeni no ciema avota virzīties uz pilsētu.Spiediena izmaiņas izplatās pa cauruļvadu ļoti ātri, ar ātrumu apmēram 1400 km / s (tas ir atkarīgs no ūdens blīvuma, no tā temperatūras, no spiediena lieluma).
Sekundes daļu pēc sūkņa ieslēgšanas ciematā ūdens sāka ieplūst pilsētā. Bet vai tas ir tas pats ūdens, kas šobrīd plūst cauri ciematam? Nē! Mūsu piemērā esošās ūdens molekulas spiež viena otru, un tās pašas pārvietojas daudz lēnāk, jo to novirzes ātrums ir atkarīgs no spiediena lieluma. Molekulu saspiešana viena pret otru izplatās par daudzām kārtām ātrāk nekā molekulu kustība pa cauruli.
Tā tas ir ar elektrisko strāvu: elektriskā lauka izplatīšanās ātrums ir līdzīgs spiediena izplatībai, un elektronu kustības ātrums, kas veido strāvu, ir līdzīgs ūdens molekulu tiešai kustībai.
Tagad atgriezīsimies tieši pie elektroniem. Elektronu (vai citu lādiņu nesēju) sakārtotas kustības ātrumu sauc par dreifa ātrumu. Tās elektroni iegūst darbības rezultātā ārējais elektriskais lauks.
Ja ārēja elektriskā lauka nav, tad elektroni haotiski virzās vadītāja iekšienē tikai ar termisku kustību, bet nav virzītas strāvas, un tāpēc dreifēšanas ātrums vidēji izrādās nulle.
Ja vadītājam tiek pielikts ārējais elektriskais lauks, tad atkarībā no vadītāja materiāla, no lādiņnesēju masas un lādiņa, no temperatūras, no potenciālu starpības lādiņnesēji sāks kustēties, bet ātrums šī kustība būs ievērojami mazāka par gaismas ātrumu, aptuveni 0,5 mm sekundē (vara stieplei ar šķērsgriezumu 1 mm2, caur kuru plūst 10 A strāva, vidējais elektronu dreifa ātrums būs 0,6– 6 mm/s).
Šis ātrums ir atkarīgs no brīvo lādiņu nesēju koncentrācijas vadītājā n, no vadītāja S šķērsgriezuma laukuma, no daļiņas e lādiņa, no strāvas lieluma I. Kā redzat, neskatoties uz to, ka to, ka elektriskā strāva (elektromagnētiskā viļņa priekšpuse) izplatās pa vadu ar gaismas ātrumu, paši elektroni kustas daudz lēnāk. Izrādās, ka strāvas ātrums ir ļoti mazs.