سرعة التيار الكهربائي

لنقم بهذه التجربة الفكرية. تخيل أن هناك قرية على مسافة 100 كيلومتر من المدينة وأن خط إشارة سلكي يبلغ طوله حوالي 100 كيلومتر مع لمبة في نهايته تم وضعه من المدينة إلى تلك القرية. خط ثنائي النواة محمي ، يتم وضعه على دعامات على طول الطريق. وإذا أرسلنا الآن إشارة عبر هذا الخط من بلدة إلى قرية ، فكم من الوقت سيستغرق استقبالها هناك؟

تخبرنا الحسابات والخبرة أن إشارة على شكل مصباح كهربائي ستظهر في الطرف الآخر في 100/300000 ثانية على الأقل ، أي في 333.3 ميكرو ثانية على الأقل (دون مراعاة محاثة السلك) في القرية سوف يضيء ضوء ، مما يعني أنه سيتم إنشاء تيار في السلك (على سبيل المثال ، نستخدم تيارًا مباشرًا من مكثف مشحون). 

100 هو طول كل وريد في سلكنا بالكيلومترات ، و 300000 كيلومتر في الثانية هي سرعة الضوء - سرعة الانتشار موجه كهرومغناطيسية في الفراغ. نعم ، ستنتشر "حركة الإلكترونات" على طول السلك بسرعة الضوء.

لكن حقيقة أن الإلكترونات تبدأ في التحرك واحدة تلو الأخرى بسرعة الضوء لا تعني على الإطلاق أن الإلكترونات نفسها تتحرك في السلك بهذه السرعة الهائلة. لا يمكن للإلكترونات أو الأيونات الموجودة في موصل معدني أو في إلكتروليت أو في وسط موصل آخر أن تتحرك بهذه السرعة ، أي أن حاملات الشحنة لا تتحرك بالنسبة إلى بعضها البعض بسرعة الضوء.

سرعة الضوء في هذه الحالة هي السرعة التي تبدأ بها حاملات الشحنة في السلك في التحرك واحدة تلو الأخرى ، أي أنها سرعة انتشار الحركة الانتقالية لحاملات الشحنات. حاملات الشحنة نفسها لها "سرعة انجراف" عند التيار المباشر ، على سبيل المثال في سلك نحاسي ، تبلغ بضعة ملليمترات فقط في الثانية!

دعونا نوضح هذه النقطة. لنفترض أن لدينا مكثفًا مشحونًا ونعلق عليه أسلاكًا طويلة من مصباحنا المركب في قرية على مسافة 100 كيلومتر من المكثف. يتم توصيل الأسلاك ، أي إغلاق الدائرة ، باستخدام مفتاح يدويًا.

ماذا سيحدث؟ عندما يتم إغلاق المفتاح ، تبدأ الجسيمات المشحونة في التحرك في تلك الأجزاء من الأسلاك المتصلة بالمكثف. تترك الإلكترونات اللوحة السالبة للمكثف ، وينخفض ​​المجال الكهربائي في العازل الكهربائي للمكثف ، وتنخفض الشحنة الموجبة للوحة المعاكسة (الموجبة) - تتدفق الإلكترونات إليها من السلك المتصل.

وبالتالي ، فإن فرق الجهد بين الألواح يتناقص.وبما أن الإلكترونات الموجودة في الأسلاك المجاورة للمكثف بدأت في التحرك ، فإن إلكترونات أخرى من أماكن بعيدة على السلك تأتي إلى أماكنها ، بمعنى آخر ، تبدأ عملية إعادة توزيع الإلكترونات في السلك بسبب تأثير المجال الكهربائي في دائرة مغلقة. تنتشر هذه العملية على طول السلك وتصل أخيرًا إلى فتيل مصباح الإشارة.

لذا فإن التغيير في المجال الكهربائي ينتشر على طول السلك بسرعة الضوء ، وينشط الإلكترونات في الدائرة. لكن الإلكترونات نفسها تتحرك ببطء أكبر.

قبل أن نذهب إلى أبعد من ذلك ، فكر في القياس الهيدروليكي. دع المياه المعدنية تتدفق من القرية إلى المدينة عبر أنبوب. في الصباح تم تشغيل مضخة في القرية وبدأت في زيادة ضغط المياه في الأنبوب لإجبار المياه من مصدر القرية على الانتقال إلى المدينة ، ينتشر التغيير في الضغط على طول خط الأنابيب بسرعة كبيرة وبسرعة حوالي 1400 كم / ث (يعتمد على كثافة الماء ، من درجة حرارته ، من حجم الضغط).

بعد مرور جزء من الثانية على تشغيل المضخة في القرية ، بدأت المياه تتدفق إلى المدينة. لكن هل هذه هي نفس المياه التي تتدفق حاليًا عبر القرية؟ لا! تدفع جزيئات الماء في مثالنا بعضها البعض وتتحرك هي نفسها ببطء أكبر ، لأن سرعة انحرافها تعتمد على حجم الضغط. يؤدي تكسير الجزيئات ضد بعضها البعض إلى انتشار عدة أوامر من حيث الحجم أسرع من حركة الجزيئات على طول الأنبوب.

إذن الأمر مع التيار الكهربائي: سرعة انتشار المجال الكهربائي مماثلة لانتشار الضغط ، وسرعة حركة الإلكترونات التي تشكل تيارًا مشابهة لحركة جزيئات الماء مباشرة.

الآن دعنا نعود مباشرة إلى الإلكترونات. يُطلق على معدل الحركة المنظمة للإلكترونات (أو غيرها من ناقلات الشحنة) معدل الانجراف. إلكتروناتها تكتسب من خلال العمل مجال كهربائي خارجي. 

إذا لم يكن هناك مجال كهربائي خارجي ، فإن الإلكترونات تتحرك بشكل فوضوي داخل الموصل فقط عن طريق الحركة الحرارية ، ولكن لا يوجد تيار موجه ، وبالتالي فإن سرعة الانجراف في المتوسط ​​تكون صفرًا.

إذا تم تطبيق مجال كهربائي خارجي على موصل ، ثم اعتمادًا على مادة الموصل ، وعلى كتلة وشحنة حاملات الشحنة ، على درجة الحرارة ، وفرق الجهد ، ستبدأ حاملات الشحنة في التحرك ، ولكن السرعة ستكون هذه الحركة أقل بكثير من سرعة الضوء ، حوالي 0.5 مم في الثانية (بالنسبة لسلك نحاسي بمقطع عرضي 1 مم 2 ، يتدفق من خلاله تيار 10 أ ، فإن متوسط ​​سرعة انجراف الإلكترون سيكون 0.6– 6 مم / ثانية).

تعتمد هذه السرعة على تركيز حاملات الشحنة المجانية في الموصل n ، على مساحة المقطع العرضي للموصل S ، على شحنة الجسيم e ، على مقدار التيار I. كما ترون ، على الرغم من حقيقة أن التيار الكهربائي (مقدمة الموجة الكهرومغناطيسية) ينتشر على طول السلك بسرعة الضوء ، فإن الإلكترونات نفسها تتحرك ببطء أكبر. اتضح أن سرعة التيار منخفضة للغاية.