Snelheid van elektrische stroom

Laten we dit gedachte-experiment doen. Stel je voor dat er een dorp is op een afstand van 100 kilometer van de stad en dat er een draadsignaallijn van ongeveer 100 kilometer lang met aan het eind een lamp wordt gelegd van de stad naar dat dorp. Een afgeschermde tweeaderige lijn, deze wordt op steunen langs de weg gelegd. En als we nu een signaal over deze lijn van stad naar dorp sturen, hoe lang duurt het dan voordat het daar wordt ontvangen?

Berekeningen en ervaring leren ons dat aan de andere kant een signaal in de vorm van een gloeilamp verschijnt in minstens 100/300000 seconden, dat wil zeggen in minstens 333,3 μs (zonder rekening te houden met de inductantie van de draad) in de dorp zal er een lampje gaan branden, wat betekent dat er een stroom in de draad komt te staan ​​(we gebruiken bijvoorbeeld een gelijkstroom van opgeladen condensator). 

100 is de lengte van elke ader in onze draad in kilometers, en 300.000 kilometer per seconde is de lichtsnelheid - de voortplantingssnelheid elektromagnetische golf in een vacuüm. Ja, de "beweging van elektronen" zal zich met de snelheid van het licht langs de draad voortplanten.

Maar dat de elektronen achter elkaar met de lichtsnelheid gaan bewegen, wil nog helemaal niet zeggen dat de elektronen zelf met zo'n enorme snelheid in de draad bewegen. Elektronen of ionen in een metalen geleider, in een elektrolyt of in een ander geleidend medium kunnen niet zo snel bewegen, dat wil zeggen dat de ladingsdragers niet met de snelheid van het licht ten opzichte van elkaar bewegen.

De lichtsnelheid is in dit geval de snelheid waarmee de ladingsdragers in de draad na elkaar beginnen te bewegen, dat wil zeggen, het is de voortplantingssnelheid van de translatiebeweging van de ladingsdragers. De ladingsdragers zelf hebben bij gelijkstroom, bijvoorbeeld in een koperdraad, een "driftsnelheid" van slechts enkele millimeters per seconde!

Laten we dit punt duidelijk maken. Laten we zeggen dat we een opgeladen condensator hebben en daaraan hechten we lange draden van onze gloeilamp die is geïnstalleerd in een dorp op een afstand van 100 kilometer van de condensator. Het aansluiten van de draden, dat wil zeggen het sluiten van het circuit, gebeurt handmatig met een schakelaar.

Wat zal er gebeuren? Wanneer de schakelaar gesloten is, beginnen geladen deeltjes te bewegen in die delen van de draden die op de condensator zijn aangesloten. Elektronen verlaten de negatieve plaat van de condensator, het elektrische veld in het diëlektricum van de condensator neemt af, de positieve lading van de tegenoverliggende (positieve) plaat neemt af - elektronen stromen erin vanuit de aangesloten draad.

Het potentiaalverschil tussen de platen neemt dus af.En aangezien de elektronen in de draden naast de condensator begonnen te bewegen, komen andere elektronen van verre plaatsen op de draad naar hun plaats, met andere woorden, het proces van herverdeling van elektronen in de draad begint als gevolg van de werking van een elektrisch veld in een gesloten circuit. Dit proces verspreidt zich verder langs de draad en bereikt uiteindelijk de gloeidraad van de signaallamp.

Dus de verandering in elektrisch veld plant zich voort langs de draad met de snelheid van het licht, waardoor de elektronen in het circuit worden geactiveerd. Maar de elektronen zelf bewegen veel langzamer.

Overweeg, voordat we verder gaan, een hydraulische analogie. Laat het mineraalwater via een leiding van het dorp naar de stad stromen. 'S Ochtends werd een pomp in het dorp gestart en begon de waterdruk in de pijpleiding te verhogen om het water van de dorpsbron naar de stad te dwingen.De verandering in druk verspreidde zich zeer snel langs de pijpleiding, met een snelheid van ongeveer 1400 km / s (het hangt af van de dichtheid van het water, van de temperatuur, van de grootte van de druk).

Een fractie van een seconde nadat de pomp in het dorp was aangezet, begon het water de stad in te stromen. Maar is dit hetzelfde water dat momenteel door het dorp stroomt? Nee! De watermoleculen in ons voorbeeld duwen elkaar en bewegen zelf veel langzamer, omdat de snelheid van hun afwijking afhangt van de grootte van de druk. Het verpletteren van moleculen tegen elkaar verspreidt zich vele ordes van grootte sneller dan de beweging van moleculen door de buis.

Zo is het ook met een elektrische stroom: de voortplantingssnelheid van een elektrisch veld is vergelijkbaar met de voortplanting van druk, en de bewegingssnelheid van elektronen die een stroom vormen is vergelijkbaar met de directe beweging van watermoleculen.

Laten we nu direct teruggaan naar de elektronen. De snelheid van ordelijke beweging van elektronen (of andere ladingsdragers) wordt de driftsnelheid genoemd. Zijn elektronen winnen door de actie extern elektrisch veld. 

Als er geen extern elektrisch veld is, bewegen de elektronen chaotisch in de geleider alleen door thermische beweging, maar er is geen gerichte stroom, en daarom blijkt de driftsnelheid gemiddeld nul te zijn.

Als een extern elektrisch veld op een geleider wordt aangelegd, dan zullen, afhankelijk van het materiaal van de geleider, de massa en lading van de ladingsdragers, de temperatuur, het potentiaalverschil, de ladingsdragers gaan bewegen, maar de snelheid van deze beweging zal aanzienlijk minder zijn dan de lichtsnelheid, ongeveer 0,5 mm per seconde (voor een koperdraad met een doorsnede van 1 mm2, waar een stroom van 10 A doorheen gaat, zal de gemiddelde snelheid van elektronendrift 0,6– 6mm/s).

Deze snelheid hangt af van de concentratie van vrije ladingsdragers in de geleider n, van de dwarsdoorsnede van de geleider S, van de lading van het deeltje e, van de grootte van de stroom I. Zoals je kunt zien, ondanks het feit dat de elektrische stroom (de voorkant van de elektromagnetische golf) zich met de snelheid van het licht langs de draad voortplant, bewegen de elektronen zelf veel langzamer. Het blijkt dat de snelheid van de stroom een ​​zeer lage snelheid is.