Какова скорость распространения электрического тока в цепи

В. КРАВЧЕНКО (пос. Безенчук Самарской обл.).

Электрический ток в металле — это направленное движение электронов. Двигаться электроны заставляет электрическое поле, создаваемое источником питания. Но электрическое поле представляет собой одну компоненту поля электромагнитного и, следовательно, распространяется со скоростью света. Поэтому прибор в точке В покажет появление тока не сразу после замыкания цепи, как мы привыкли видеть, включая свет в квартире, а через час. Лампочка в точке А зажжется через два часа в полном соответствии с теорией относительности. Более того, если на пути электрического тока поставить замедляющую систему (линию задержки), можно существенно понизить скорость распространения поля, а значит, и тока. Отношение скорости волны в вакууме c к скорости ее распространения в системе v : n = c / v — называется коэффициентом замедления. Эта характеристика имеет тот же физический смысл, что и показатель преломления прозрачной среды для света.

Выбор читателей
Сосудистые заболевания мозга. Все может начаться с головной боли

Головная боль, шум и головокружение, ухудшение памяти, повышенная утомляемость, снижение работоспособности — подобные "несерьезные" симптомы могут свидетельствовать о хронической недостаточности мозгового кровообращения.

«Какого цвета платье?»

Наше цветовое восприятие зависит от того, «совы» мы или «жаворонки».

Существует распространенное мнение о равенстве скорости тока и света, которое, однако, является заблуждением. Свет движется намного быстрее, что можно доказать после рассмотрения простейшей схемы движения тока по проводнику.

Схема и особенности движения тока в проводнике

Все вещества состоят из атомов – элементарных частиц. В центре атома находится ядро из протонов и нейтронов, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные частицы. Их количество может быть разным у разных веществ.

Атомы твердых тел обладают кристаллической решеткой – структурой, в которой атомы расположены относительно друг друга в определенном порядке.

У некоторых проводников наиболее удаленные от ядра электроны могут переходить к соседним атомам – это свободное движение. Но если подключить к проводнику внешнее электромагнитное поле, можно создать электрическую цепь. Все свободные электроны будут двигаться одинаково – это и называется движением тока в передатчике.

Пример его перемещения по проводам: есть лампочка, которая соединена с источником питания длиной в 10 км. Если включить выключатель в цепи, лампочка загорится через 300 000 км/с. Такая скорость света в вакууме. Лампочка загорается через 33,333 мксек, из чего можно сделать вывод, что электроны двигались так же быстро, как и свет. Однако то, что электроны перемещались со световой скоростью, не значит, что та же быстрота сохраняется в проводнике:

  1. Цепь замкнулась с нажатием выключателя.
  2. Электрическое поле уменьшилось в диэлектрике конденсатора, а электроны зашли на плюсовую клемму.
  3. Так уменьшилась разность потенциалов, а так как электроны в присоединенном участке начали движение, пустые места были заняты соседними отрицательными частицами из другого участка провода.
  4. Это продолжается по всему проводнику, и когда электроны достигают лампочки, она начинает светиться.
  5. Из этого следует, что измененное электрическое поле мгновенно распространилось по проводнику, а частицы – немного медленнее.

Переменный и постоянный ток – в чем разница

Разница в том, что электрические заряды движутся неодинаково. Постоянный может двигаться только в одном направлении. В твердых телах двигаются электроны, в остальных – ионы. Поэтому в твердых телах ток всегда течет от минуса к плюсу. В жидких и газообразных веществах он может двигаться в 2-х направлениях: электроны – к плюсу, а ионы – к минусу и источнику подачи энергии.

С переменным движением частиц ситуация обстоит иначе: взамен его движения только в одном направлении последнее может периодически изменяться на противоположное. Например, в городских электросетях напряжение стандартное – 220 В, а частота – 50 Гц. Частота обозначает, что за 1 секунду ток проходит синусоидальный цикл 50 раз.

Это значит, что он меняет направление 100 раз в секунду, так как цикл изменяется дважды.

Скорость тока и скорость света – можно ли поставить знак равенства?

Очевидно, что быстрота движения электрических зарядов в проводах даже не близка к световой. Если бы это было правдой, современная энергетика не существовала в том виде, в котором она представлена сейчас. Добавилась бы необходимость решения сложных технических задач: на скорости 300 000 км/с заряженные частицы не способны следовать за поворотами. После разгона на прямом участке частицы бы просто вылетали по касательной, что в свою очередь требовало бы установок электромагнитных ловушек в проводах. Из-за этого участки проводки напоминали бы фрагменты адронного коллайдера.

Скорость передвижения элементарных частиц намного меньше, чем скорость света, несмотря на то, что в школе учат правилу: «Скорость тока в проводнике идентична быстроте распространения электромагнитной волны». Чтобы убедиться в этом, достаточно провести простые опыты с постоянными магнитами или эбонитом.

Жизнь современного человека полна комфорта. Сегодня мы имеем все блага цивилизации в свободном доступе. Главным достижением, которое совершенствовалось в течение долгого времени, является электрическая энергия, доступная практически в любой части мира. Мы привыкли к тому, что электроэнергия повсюду и задумываемся о ней лишь в тот момент, когда она внезапно пропадает. На самом деле явление электричества таит в себе много интересного, что желательно было бы знать каждому человеку.

Например, одним из вопросов, которым нужно задаться, является скорость электрического тока. Мало кто думал о том, как быстро зажжется лампочка, находящаяся в сотне километров от источника энергии. Этот вопрос актуален для населенных пунктов, которые находятся вдали от цивилизации.

Опытным путем учеными и исследователями было доказано, что электрический сигнал движется по кабелю со скоростью света, а именно 300 тысяч км/сек.

Важно отметить, что электроны и ионы в проводнике при этом движутся совсем не с такой скоростью. Они просто на просто не могут иметь столь высокую скорость в проводящем материале.

Под скоростью света в случае с электрическим током понимается показатель скорости, с которым заряженные частицы приходят в движение друг за другом, а не движутся относительно друг друга. Носители заряда при этом обладают средней скоростью, равной, как правило, нескольким миллиметрам за 1 сек.

Более подробно объясним данную ситуацию примером:

К заряженному конденсатору присоединяются провода большой длины, идущие к лампе, что находится на расстоянии около 100 км. Замыкание цепи происходит вручную. После этого носители зарядов приходят в движение на том отрезке провода, который подключен к конденсатору. При этом начинается покидание электронами минусовой обкладки конденсатора, следовательно, происходит уменьшение электрического поля в конденсаторе параллельно с уменьшением плюсовой обкладки.

Таким образом, между обкладками сокращается разность потенциалов. При этом электроны, пришедшие в движение, приходят на место тех, что ушли. То есть, запущен процесс перераспределения электронов внутри провода за счет влияния электрического поля. Данный процесс растет, как снежный ком, и переходит дальше по всей длине провода, достигая в итоге нити накаливания лампы.

Получается, что перемены в состоянии электрического поля распространяются внутри проводника со скоростью, равной скорости света. При этом происходит активация электронов в электрической цепи с аналогичной скоростью. Хотя сами электроны движутся друг за другом по проводнику с гораздо меньшей скоростью.

Теперь разберемся в явлении гидравлической аналогии. Рассмотрим это понятие на примере движения водного потока из пункта А в пункт Б.

Допустим, что из небольшого населенного пункта по трубе в город поступает вода. Для этого функционирует специальный насос, который повышает давление внутри трубы, и вода под влиянием давления движется гораздо быстрее. Малейшие перемены в давлении по трубе распространяются очень быстро (приблизительно 1400 км/сек). Скорость распространения данных перемен напрямую зависит от показателя плотности жидкости, ее температуры и степени оказываемого давления. Через совсем короткий промежуток времени (доля секунды) вода уже поступила в город. Но это уже совсем другая вода. Ведь молекулы в ее составе провоцируют движение друг друга из-за столкновений между собой. При этом скорость движения данных молекул гораздо меньше, ведь дрейфовая скорость имеет прямую связь с силой напора. То есть, столкновения молекул друг с другом распространяются очень быстро, а скорость одной молекулы при этом не увеличивается.

Абсолютно аналогичный процесс происходит с электрическим током. Проведем параллели: скорость распространения поля есть скорость распространения давления, а скорость движения молекул, следовательно, есть скорость электронов, создающих ток.

Дрейфовая скорость – это скорость последовательного движения заряженных частиц. Электронами данная скорость приобретается за счет действия внешнего электрического поля.

В случае, если внешнее электрическое поле отсутствует, то движение электронов внутри проводника происходит хаотично. Иными словами, конкретного направления у электрического тока нет, а дрейфовая скорость при этом нулевая.

При наличии внешнего электрического поля у проводника носители заряда приходят в движение, скорость которого зависит от ряда факторов (концентрация свободных электронов, площадь сечения провода, величины тока).

Таким образом, электрический ток имеет скорость распространения по проводнику равную скорости света. При этом скорость движения тока в проводнике – очень мала.

Вам будут интересны такие познавательные статьи, как:

Оцените статью
Добавить комментарий