Elektrivoolu kiirus

Teeme selle mõtteeksperimendi. Kujutage ette, et linnast 100 kilomeetri kaugusel on küla ja linnast sellesse külasse on viidud umbes 100 kilomeetri pikkune signaalliin, mille otsas on pirn. Varjestatud kahesüdamikuline liin, see asetatakse tee äärde tugedele. Ja kui me nüüd saadame signaali üle selle liini linnast külla, siis kui kaua see seal vastu võtab?

Arvutused ja kogemused näitavad, et lambipirni kujuline signaal ilmub lambipirni teises otsas vähemalt 100/300000 sekundi jooksul, see tähendab vähemalt 333,3 μs pärast (arvestamata juhtme induktiivsust) külas süttib tuli, mis tähendab, et juhtmesse tekib vool (näiteks kasutame alalisvoolu laetud kondensaator). 

100 on iga veeni pikkus meie juhtmes kilomeetrites ja 300 000 kilomeetrit sekundis on valguse kiirus – levimiskiirus elektromagnetlaine vaakumis. Jah, "elektronide liikumine" levib mööda traati valguse kiirusel.

Kuid see, et elektronid hakkavad üksteise järel valguse kiirusel liikuma, ei tähenda sugugi seda, et elektronid ise liiguvad juhtmes nii tohutu kiirusega. Metalljuhis, elektrolüüdis või muus juhtivas keskkonnas olevad elektronid või ioonid ei saa nii kiiresti liikuda, see tähendab, et laengukandjad ei liigu üksteise suhtes valguse kiirusel.

Valguse kiirus on sel juhul kiirus, millega juhtmes olevad laengukandjad hakkavad üksteise järel liikuma, see tähendab, et see on laengukandjate translatsioonilise liikumise kiirus. Laengukandjate endi "triivikiirus" on alalisvoolul, näiteks vasktraadis, vaid mõni millimeeter sekundis!

Teeme selle punkti selgeks. Oletame, et meil on laetud kondensaator ja selle külge kinnitame kondensaatorist 100 kilomeetri kaugusele külasse paigaldatud lambipirnist pikad juhtmed. Juhtmete ühendamine, see tähendab ahela sulgemine, toimub lülitiga käsitsi.

Mis juhtub? Kui lüliti on suletud, hakkavad laetud osakesed liikuma juhtmete nendes osades, mis on kondensaatoriga ühendatud. Elektronid lahkuvad kondensaatori negatiivselt plaadilt, kondensaatori dielektrikus elektriväli väheneb, vastupidise (positiivse) plaadi positiivne laeng väheneb — ühendatud juhtmest voolavad elektronid sisse.

Seega plaatide potentsiaalide erinevus väheneb.Ja kuna kondensaatoriga külgnevates juhtmetes olevad elektronid hakkasid liikuma, tulevad traadi kaugematest kohtadest teised elektronid oma kohale, teisisõnu algab elektronide ümberjaotumise protsess juhtmes elektrivälja toimel. suletud ahelas. See protsess levib piki traati edasi ja jõuab lõpuks signaallambi hõõgniidini.

Seega levib elektrivälja muutus mööda traati valguse kiirusel, aktiveerides ahelas olevad elektronid. Kuid elektronid ise liiguvad palju aeglasemalt.

Enne kui läheme kaugemale, kaaluge hüdraulilist analoogiat. Las mineraalvesi voolab toru kaudu külast linna. Hommikul käivitati külas pump ja see hakkas tõstma veesurvet torus, et sundida küla allikast vett linna liikuma.Rõhumuutus levib mööda torustikku väga kiiresti, kiirusega umbes 1400 km/s (see sõltub vee tihedusest, temperatuurist, rõhu suurusest).

Sekundi murdosa pärast külas pumba sisselülitamist hakkas vesi linna liikuma. Aga kas see on sama vesi, mis praegu külast läbi voolab? Ei! Meie näites olevad veemolekulid suruvad üksteist ja nad ise liiguvad palju aeglasemalt, kuna nende kõrvalekalde kiirus sõltub rõhu suurusest. Molekulide purustamine üksteise vastu levib palju suurusjärke kiiremini kui molekulide liikumine mööda toru.

Nii on ka elektrivooluga: elektrivälja levimiskiirus on sarnane rõhu levikuga ja voolu moodustavate elektronide liikumiskiirus on sarnane veemolekulide otsese liikumisega.

Tuleme nüüd tagasi otse elektronide juurde. Elektronide (või muude laengukandjate) korrapärase liikumise kiirust nimetatakse triivikiiruseks. Selle elektronid võidavad tegevuse kaudu väline elektriväli. 

Kui välist elektrivälja ei ole, siis elektronid liiguvad juhi sees kaootiliselt ainult soojusliikumise teel, kuid suunatud voolu pole ja seetõttu osutub triivikiirus keskmiselt nulliks.

Kui juhile rakendatakse väline elektriväli, siis sõltuvalt juhi materjalist, laengukandjate massist ja laengust, temperatuurist, potentsiaalide erinevusest hakkavad laengukandjad liikuma, kuid kiirus sellest liikumisest on oluliselt väiksem kui valguse kiirus, umbes 0,5 mm sekundis (1 mm2 ristlõikega vasktraadi puhul, mida läbib vool 10 A, on elektronide triivimise keskmine kiirus 0,6– 6 mm/s).

See kiirus sõltub vabade laengukandjate kontsentratsioonist juhis n, juhi S ristlõikepinnast, osakese e laengust, voolu I suurusest. Nagu näete, hoolimata sellest asjaolu, et elektrivool (elektromagnetlaine esiosa) levib mööda traati valguse kiirusega, elektronid ise liiguvad palju aeglasemalt. Selgub, et voolu kiirus on väga väike.