Jaká je rychlost elektrického proudu?

Jakou rychlostí se drátem přenáší elektrický proud? Na tuto otázku není tak snadné odpovědět. Proud se šíří extrémně vysokou rychlostí – stejnou jako světlo, tedy 300 tisíc km za vteřinu. Z Měsíce na Zemi (385 tis. km) doletí světlo asi za vteřinu a čtvrt, ze Slunce na Zemi (asi 150 mil. km) za 8 minut. 18 sec.

To znamená, že kdybyste natáhli drát ze Země k Měsíci a zapnuli proud na Zemi, dosáhl by Měsíc za vteřinu a čtvrt. Žárovka připojená k tomuto drátu by se rozsvítila během vteřiny ve vzdálenosti 300 tisíc km od nás.

V našich „pozemských“ vzdálenostech se proud šíří téměř okamžitě. To však neznamená, že se samotné elektrony po drátu pohybují takovou rychlostí. Jejich rychlost je nesrovnatelně nižší.

Udělejme tento myšlenkový experiment. Představte si, že 100 kilometrů od města je určitá vesnice a z města do této vesnice je položeno drátové signální vedení dlouhé přibližně 100 kilometrů s žárovkou na konci.

Vedení je stíněné dvouvodičové vedení, je uloženo na podpěrách podél dálnice. A když nyní vyšleme signál po této lince z města do vesnice, jak dlouho bude trvat, než tam bude přijat?

Výpočty a zkušenosti nám říkají, že signál v podobě rozsvícené žárovky se na druhém konci objeví minimálně po 100/300000 sekundách, tedy minimálně po 333,3 μs (bez zohlednění indukčnosti vodiče), v obci se rozsvítí žárovka, což znamená, že se ve vodiči vytvoří proud (řekněme, že použijeme stejnosměrný proud z nabitého kondenzátoru).

100 je délka každého z jader našeho drátu v kilometrech a 300000 XNUMX kilometrů za sekundu je rychlost světla – rychlost šíření elektromagnetické vlny ve vakuu. Ano, „pohyb elektronů“ se bude šířit vodičem rychlostí světla.

Ale to, že se elektrony začnou pohybovat jeden po druhém rychlostí světla, neznamená, že se samotné elektrony pohybují ve vodiči tak ohromnou rychlostí. Elektrony nebo ionty se v kovovém vodiči, elektrolytu nebo jiném vodivém médiu nemohou pohybovat tak rychle, to znamená, že nosiče náboje se vůči sobě nepohybují rychlostí světla.

Rychlost světla je v tomto případě rychlost, kterou se začnou pohybovat nosiče náboje ve vodiči jeden po druhém, to znamená rychlost šíření translačního pohybu nosičů náboje. Samotné nosiče náboje mají „rychlost driftu“ při ustáleném proudu, řekněme v měděném vodiči, pouze několik milimetrů za sekundu!

Pojďme si tento bod ujasnit. Řekněme, že máme nabitý kondenzátor a připojíme k němu dlouhé dráty z naší žárovky, instalované ve vesnici vzdálené 100 kilometrů od kondenzátoru. Připojíme vodiče, to znamená, že okruh uzavřeme ručně pomocí spínače.

co se stane? Při sepnutí spínače začíná pohyb nabitých částic v těch částech vodičů, které jsou připojeny ke kondenzátoru. Elektrony opouštějí zápornou desku kondenzátoru, elektrické pole v dielektriku kondenzátoru se zmenšuje, kladný náboj opačné (kladné) desky klesá – elektrony z připojeného vodiče na ni nabíhají.

Takže potenciálový rozdíl mezi deskami klesá. A protože se elektrony v vodičích sousedících s kondenzátorem začaly pohybovat, na jejich místo nastupují jiné elektrony ze vzdálených míst vodiče, jinými slovy začíná proces redistribuce elektronů ve vodiči v důsledku působení elektrického pole v uzavřený okruh. Tento proces se šíří dále a dále podél drátu a nakonec dosáhne vlákna signální žárovky.

Takže změna elektrického pole se šíří vodičem rychlostí světla a aktivuje elektrony v obvodu. Ale samotné elektrony se pohybují mnohem pomaleji.

Elektrické silové pole – působení elektromotorické síly – se šíří po drátu obrovskou rychlostí. Ve vteřině uvede do pohybu elektrony na vzdálenost 300 tisíc km. Ale nebudou to tytéž elektrony, které se začaly pohybovat o sekundu dříve na začátku drátu.

Když elektrony procházejí uvnitř kovového drátu, neustále narážejí do atomů a jeden do druhého, odrážejí se do stran, pohybují se jedním nebo druhým směrem, často i dozadu. A to je opravdu zpomaluje. Je pravda, že pokud použijete elektromotorickou sílu, postupně „tlačí“ elektrony podél drátu.

Pokud by rychlost proudu byla rychlostí šíření elektronů, pak by se žárovky v lampě rozsvítily půl hodiny poté, co byste otočili vypínačem na zdi. A to by se stalo pouze v případě, že bychom použili stejnosměrný proud.

Ale v technice se častěji používá střídavý proud, který mění svůj směr 100krát za sekundu (má 50 za sekundu). V takovém proudu se elektrony po drátu vůbec nešíří. Během každé periody provádějí pouze oscilační pohyb tam a zpět ze své průměrné polohy v drátu.

Než půjdeme dále, zvažte hydraulickou analogii. Minerální vodu nechejte přivádět z vesnice do města potrubím. Ráno se ve vesnici spustilo čerpadlo a začalo zvyšovat tlak vody v potrubí, aby přinutilo vodu z vesnického zdroje přesunout se do města. Změna tlaku se potrubím šíří velmi rychle, rychlostí přibližně 1400 km/s (v závislosti na hustotě vody, její teplotě a tlaku).

Zlomek vteřiny po spuštění čerpadla v obci se voda začala pohybovat ve městě. Je to ale ta samá voda, která se aktuálně pohybuje v obci? Žádný! Molekuly vody v našem příkladu se navzájem tlačí, ale samy se pohybují mnohem pomaleji, protože rychlost jejich driftu závisí na velikosti tlaku. Tlačení molekul mezi sebou se šíří o mnoho řádů rychleji než pohyb molekul po potrubí.

Totéž platí s elektrickým proudem: rychlost šíření elektrického pole je podobná šíření tlaku a rychlost pohybu elektronů tvořících proud je podobná pohybu samotných molekul vody.

Nyní se vraťme přímo k elektronům. Rychlost uspořádaného pohybu elektronů (nebo jiných nosičů náboje) se nazývá rychlost driftu. Jeho elektrony jsou získávány působením vnějšího elektrického pole.

Pokud neexistuje žádné vnější elektrické pole, pak se elektrony chaoticky pohybují uvnitř vodiče pouze tepelným pohybem, ale neexistuje žádný směrovaný proud, a proto je rychlost driftu v průměru rovna nule.

Pokud na vodič působí vnější elektrické pole, pak v závislosti na materiálu vodiče, na hmotnosti a náboji nosičů náboje, na teplotě, na rozdílu potenciálů se nosiče náboje začnou pohybovat, ale rychlost tohoto pohyb bude výrazně menší než rychlost světla, asi 0,5 mm za sekundu (u měděného vodiče o průřezu 1 mm2, kterým protéká proud 10 A, bude průměrná rychlost driftu elektronů 0,6–6 mm /s).

Tato rychlost závisí na koncentraci volných nosičů náboje ve vodiči n, na ploše průřezu vodiče S, na náboji částice e, na velikosti proudu I. Jak vidíte, navzdory skutečnost, že elektrický proud (čelo elektromagnetické vlny) se šíří vodičem rychlostí světla, samotné elektrony se pohybují mnohem pomaleji. Ukazuje se, že rychlost proudu je velmi nízká.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Život moderního člověka je plný pohodlí. Dnes máme všechny výhody civilizace volně dostupné. Hlavním úspěchem, který se postupem času zdokonaloval, je elektrická energie, která je dostupná téměř ve všech částech světa. Jsme zvyklí, že elektřina je všude a myslíme na ni až ve chvíli, kdy náhle zmizí. Fenomén elektřiny je ve skutečnosti plný mnoha zajímavých věcí, které by bylo žádoucí, aby každý člověk věděl. Jednou z otázek, kterou je třeba si položit, je například rychlost elektrického proudu. Málokoho napadlo, jak rychle se rozsvítí žárovka nacházející se sto kilometrů od zdroje energie. Tento problém je relevantní pro osady, které se nacházejí daleko od civilizace. Vědci a výzkumníci experimentálně prokázali, že elektrický signál se pohybuje po kabelu rychlostí světla, konkrétně 300 tisíc km/s. Je důležité si uvědomit, že elektrony a ionty ve vodiči se nepohybují stejnou rychlostí. Tak vysokou rychlost ve vodivém materiálu prostě mít nemohou. V případě elektrického proudu rychlost světla odkazuje na rychlost, kterou se nabité částice pohybují jedna po druhé, spíše než aby se pohybovaly vůči sobě navzájem. V tomto případě mají nosiče náboje průměrnou rychlost rovnající se zpravidla několika milimetrům za 1 sekundu. Pojďme si tuto situaci vysvětlit podrobněji na příkladu: Nabitý kondenzátor je připojen k dlouhým vodičům, které jdou k lampě, která se nachází ve vzdálenosti asi 100 km. Okruh se uzavírá ručně. Poté se nosiče náboje začnou pohybovat na části drátu, která je připojena ke kondenzátoru. V tomto případě začnou elektrony opouštět zápornou desku kondenzátoru, proto se elektrické pole v kondenzátoru snižuje paralelně s poklesem kladné desky. Tím se sníží potenciálový rozdíl mezi deskami. V tomto případě elektrony, které se uvedou do pohybu, nahrazují ty, které odešly. To znamená, že vlivem elektrického pole byl spuštěn proces redistribuce elektronů uvnitř drátu. Tento proces roste jako sněhová koule a pokračuje po celé délce drátu, až nakonec dosáhne vlákna lampy. Ukazuje se, že změny stavu elektrického pole se šíří uvnitř vodiče rychlostí rovnou rychlosti světla. V tomto případě jsou elektrony aktivovány v elektrickém obvodu podobnou rychlostí. Přestože se samotné elektrony pohybují jeden po druhém podél vodiče mnohem nižší rychlostí. Nyní pojďme pochopit jev hydraulická analogie. Uvažujme tento koncept na příkladu pohybu vodního toku z bodu A do bodu B. Předpokládejme, že voda teče z malé osady potrubím do města. K tomu pracuje speciální čerpadlo, které zvyšuje tlak uvnitř potrubí a voda se pod vlivem tlaku pohybuje mnohem rychleji. Nejmenší změny tlaku procházejí potrubím velmi rychle (přibližně 1400 km/s). Rychlost šíření těchto změn přímo závisí na hustotě kapaliny, její teplotě a stupni vyvinutého tlaku. Po velmi krátké době (zlomek vteřiny) již do města vnikla voda. Tohle je ale úplně jiná voda. Koneckonců, molekuly v jeho složení vyvolávají vzájemný pohyb kvůli vzájemným srážkám. Zároveň je rychlost pohybu těchto molekul mnohem menší, protože rychlost driftu má přímou souvislost s tlakovou silou. To znamená, že srážky molekul se mezi sebou šíří velmi rychle, ale rychlost jedné molekuly se nezvyšuje. Naprosto podobný proces nastává u elektrického proudu. Vezměme si paralely: rychlost šíření pole je rychlost šíření tlaku a rychlost pohybu molekul je tedy rychlost elektronů vytvářejících proud. Rychlost driftu je rychlost sekvenčního pohybu nabitých částic. Elektrony získávají tuto rychlost působením vnějšího elektrického pole. Pokud neexistuje vnější elektrické pole, dochází k pohybu elektronů uvnitř vodiče chaoticky. Jinými slovy, elektrický proud nemá žádný konkrétní směr a rychlost driftu je nulová. V přítomnosti vnějšího elektrického pole v blízkosti vodiče se začnou pohybovat nosiče náboje, jejichž rychlost závisí na řadě faktorů (koncentrace volných elektronů, plocha průřezu drátu, velikost proudu). Elektrický proud má tedy rychlost šíření vodičem rovnou rychlosti světla. V tomto případě je rychlost pohybu proudu ve vodiči velmi nízká. Budou vás zajímat takové informativní články jako:

• Bludné proudy: příčina a ochrana proti nim
• Příčiny zkratů a způsoby jejich odstranění
• Vliv elektrického proudu na lidský organismus
• Energetický systém země
• Vliv světla na lidské tělo