Bilis ng electric current

Gawin natin itong thought experiment. Isipin na mayroong isang nayon sa layong 100 kilometro mula sa lungsod at isang linya ng senyales ng kawad na mga 100 kilometro ang haba na may bombilya sa dulo ay inilalagay mula sa lungsod patungo sa nayong iyon. Isang shielded two-core na linya, ito ay inilatag sa mga suporta sa kahabaan ng kalsada. At kung magpapadala tayo ngayon ng signal sa linyang ito mula sa bayan hanggang sa nayon, gaano katagal bago ito matanggap doon?

Sinasabi sa amin ng mga kalkulasyon at karanasan na ang isang signal sa anyo ng isang bumbilya ay lilitaw sa kabilang dulo sa loob ng hindi bababa sa 100/300000 segundo, iyon ay, sa hindi bababa sa 333.3 μs (nang hindi isinasaalang-alang ang inductance ng wire) sa nayon ay sisikat ang isang ilaw, na nangangahulugang magkakaroon ng kasalukuyang sa kawad (halimbawa, gumagamit kami ng direktang agos ng sisingilin ang kapasitor). 

100 ang haba ng bawat ugat sa ating wire sa kilometro, at 300,000 kilometro bawat segundo ang bilis ng liwanag—ang bilis ng pagpapalaganap electromagnetic wave sa isang vacuum. Oo, ang "galaw ng mga electron" ay magpapalaganap sa kahabaan ng kawad sa bilis ng liwanag.

Ngunit ang katotohanan na ang mga electron ay nagsimulang gumalaw nang sunud-sunod sa bilis ng liwanag ay hindi nangangahulugan na ang mga electron mismo ay gumagalaw sa wire sa napakalaking bilis. Ang mga electron o ion sa isang metal conductor, sa isang electrolyte, o sa isa pang conductive medium ay hindi maaaring gumalaw nang ganoon kabilis, ibig sabihin, ang mga charge carrier ay hindi gumagalaw sa isa't isa sa bilis ng liwanag.

Ang bilis ng liwanag sa kasong ito ay ang bilis kung saan ang mga tagadala ng singil sa kawad ay nagsimulang gumalaw nang isa-isa, iyon ay, ito ay ang bilis ng pagpapalaganap ng galaw ng pagsasalin ng mga tagadala ng singil. Ang mga charge carrier mismo ay may "drift velocity" sa direktang kasalukuyang, sabihin sa isang tansong kawad, na ilang milimetro lamang bawat segundo!

Gawin nating malinaw ang puntong ito. Sabihin nating mayroon tayong naka-charge na kapasitor at dito ay ikinakabit natin ang mga mahahabang wire mula sa ating bumbilya na naka-install sa isang nayon sa layong 100 kilometro mula sa kapasitor. Ang pagkonekta sa mga wire, iyon ay, pagsasara ng circuit, ay ginagawa gamit ang isang switch nang manu-mano.

Ano ang mangyayari? Kapag ang switch ay sarado, ang mga sisingilin na particle ay nagsisimulang lumipat sa mga bahaging iyon ng mga wire na konektado sa kapasitor. Ang mga electron ay umalis sa negatibong plato ng kapasitor, ang electric field sa dielectric ng kapasitor ay bumababa, ang positibong singil ng kabaligtaran (positibo) na plato ay bumababa - ang mga electron ay dumadaloy dito mula sa konektadong kawad.

Kaya, ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga plato ay bumababa.At dahil ang mga electron sa mga wire na katabi ng capacitor ay nagsimulang gumalaw, ang iba pang mga electron mula sa malalayong lugar sa wire ay pumupunta sa kanilang mga lugar, sa madaling salita, ang proseso ng muling pamamahagi ng mga electron sa wire ay nagsisimula dahil sa pagkilos ng isang electric field. sa isang closed circuit. Ang prosesong ito ay kumakalat pa sa kahabaan ng kawad at sa wakas ay umabot sa filament ng signal lamp.

Kaya ang pagbabago sa electric field ay kumakalat sa kahabaan ng kawad sa bilis ng liwanag, na nagpapagana ng mga electron sa circuit. Ngunit ang mga electron mismo ay gumagalaw nang mas mabagal.

Bago tayo magpatuloy, isaalang-alang ang isang haydroliko na pagkakatulad. Hayaang dumaloy ang mineral na tubig mula sa nayon patungo sa lungsod sa pamamagitan ng tubo. Sa umaga, nagsimula ang isang bomba sa nayon at nagsimula itong pataasin ang presyon ng tubig sa tubo upang pilitin ang tubig mula sa pinagmumulan ng nayon na lumipat sa lungsod. Ang pagbabago sa presyon ay kumakalat sa kahabaan ng pipeline nang napakabilis, sa bilis. ng tungkol sa 1400 km / s (depende ito sa density ng tubig, mula sa temperatura nito, mula sa magnitude ng presyon).

Isang fraction ng isang segundo pagkatapos na i-on ang pump sa nayon, nagsimulang lumipat ang tubig sa lungsod. Ngunit ito ba ang parehong tubig na kasalukuyang dumadaloy sa nayon? Hindi! Ang mga molekula ng tubig sa ating halimbawa ay nagtutulak sa isa't isa at sila mismo ay gumagalaw nang mas mabagal, dahil ang bilis ng kanilang paglihis ay nakasalalay sa laki ng presyon. Ang pagdurog ng mga molekula laban sa isa't isa ay nagpapalaganap ng maraming mga order ng magnitude nang mas mabilis kaysa sa paggalaw ng mga molekula sa kahabaan ng tubo.

Kaya ito sa isang electric current: ang bilis ng pagpapalaganap ng isang electric field ay katulad ng pagpapalaganap ng presyon, at ang bilis ng paggalaw ng mga electron na bumubuo ng isang kasalukuyang ay katulad ng paggalaw ng mga molekula ng tubig nang direkta.

Ngayon bumalik tayo nang direkta sa mga electron. Ang rate ng maayos na paggalaw ng mga electron (o iba pang mga carrier ng singil) ay tinatawag na drift rate. Ang mga electron nito ay nakakakuha sa pamamagitan ng pagkilos panlabas na electric field. 

Kung walang panlabas na electric field, ang mga electron ay gumagalaw nang magulo sa loob ng konduktor lamang sa pamamagitan ng thermal motion, ngunit walang nakadirekta na kasalukuyang, at samakatuwid ang bilis ng drift sa average ay nagiging zero.

Kung ang isang panlabas na electric field ay inilapat sa isang konduktor, pagkatapos ay depende sa materyal ng konduktor, sa masa at singil ng mga carrier ng singil, sa temperatura, sa potensyal na pagkakaiba, ang mga carrier ng singil ay magsisimulang gumalaw, ngunit ang bilis ng paggalaw na ito ay magiging makabuluhang mas mababa kaysa sa bilis ng liwanag, mga 0.5 mm bawat segundo (para sa isang tansong wire na may cross section na 1 mm2, kung saan dumadaloy ang isang kasalukuyang 10 A, ang average na bilis ng electron drift ay magiging 0.6– 6 mm / s).

Ang bilis na ito ay nakasalalay sa konsentrasyon ng mga carrier ng libreng bayad sa conductor n, sa cross-sectional area ng conductor S, sa singil ng particle e, sa magnitude ng kasalukuyang I. Tulad ng makikita mo, sa kabila ng ang katotohanan na ang electric current (ang harap ng electromagnetic wave) ay kumakalat sa kahabaan ng wire sa bilis ng liwanag, ang mga electron mismo ay gumagalaw nang mas mabagal. Ito ay lumiliko na ang bilis ng kasalukuyang ay isang napakababang bilis.