Банальный если не риторический вопрос, не правда ли? Все мы в школе учили физику и хорошо помним, что скорость электрического тока в проводнике равна скорости распространения фронта электромагнитной волны, то есть равна скорости света. Но ведь на тех же уроках физики, нам показывали и кучу интересных опытов, где мы могли сами во всем убедиться. Вспомним хотя бы замечательные опыты с электрофорной машиной, эбонитом, постоянными магнитами и т.д. А вот опыты по измерению скорости электрического тока не показывали даже в университете, ссылаясь на отсутствие необходимого оборудования и сложность данных экспериментов. За последние несколько десятков лет прикладная наука сделала огромный рывок вперед и сейчас у многих любителей есть дома та аппаратура, о которой несколько десятков лет назад не мечтали даже научные лаборатории. А потому пришла пора начинать показывать и опыт по измерению скорости электрического тока, что бы вопрос был закрыт раз и навсегда в лучших традициях физики. То есть не на уровне математики гипотез и постулатов, а на уровне простых и понятных каждому экспериментов и опытов.
Суть эксперимента по измерению скорости электрического тока проста до безобразия. Возьмем провод, определенной длинны, в нашем случае 40 метров, подключим к нему генератор сигналов высокой частоты и двухлучевой осциллограф один луч соответственно к началу провода, а другой к его концу. Вот и все. Время, за которое электрический ток пройдет по проводу длиной 40 метров составляет около 160 наносекунд. Сдвиг именно на это время мы и должны увидеть на осциллографе между двумя лучами. Посмотрим теперь, что же мы видим на практике
То есть как мы увидели, никакой задержки в 160 наносекунд в нашем случае нет. И именно в нашем случае мы не смогли измерить скорость электрического тока, т.к. она оказалась на несколько порядков больше и не поддается измерению такими приборами. Может быть, у нас провода были сврхнанотехнологичные, или наш электрический ток просто не знал, что он обязан задержаться на 160 наносекунд в проводе? Но что есть, то есть.…
Большинство людей ассоциируют электричество с молнией с детства, и это приводит к заблуждению, что электроны и электричество движутся со скоростью света. Или почти. Хотя электромагнитная волна энергии действительно путешествует через проводник на скорости от 50 до 99 процентов световой, важно понимать, что сами электроны движутся очень медленно, не быстрее чем на пару сантиметров в секунду.
Точно так же, когда вы слышите звук с 300 метров, давление воздуха в ухе вызывается не смещением молекул от источника, а скорее волной сжатия, которая проносится рябью и затрагивает все молекулы воздуха между вами.
Электричество имеет нулевую массу или вес
Поскольку разглядеть электричество невооруженным глазом невозможно, легко предположить, что электричество - это просто энергия, которая течет из точки А в точку Б и не имеет массы или веса. В некотором смысле это верно: электрический ток - как река - не имеет массы или веса. Тем не менее электричество - это не просто форма невидимой энергии, это поток заряженных частиц - электронов - которые имеют массу и вес.
К сожалению, этот вес совершенно незначительный, а контур имеет круглую форму, поэтому вы никогда не соберете много электронов в одном месте. Наконец, поток заряженных частиц продвигается со скоростью нескольких сантиметров в секунду, но об этом позже.
Скорость распространения электрического тока.. Скорость движения носителей зарядов в электрическом поле.. От чего зависит скорость дрейфа носителей зарядов?.. Тепловое действие тока..
При изучении электрического тока часто возникают трудности понимания процессов, которые происходят на атомарном уровне и недоступны нашим органам чувств - электрический ток нельзя увидеть, услышать или пощупать. Это порождает целый ряд вопросов, в частности: почему проводники нагреваются? Какова скорость электронов в проводнике и от чего она зависит? Почему, когда мы нажимаем на выключатель, лампочка загорается практически мгновенно? Попробуем вместе разобраться и ответить на эти и другие интересующие вас вопросы.
Почему лампочка загорается практически мгновенно?
Прежде всего, нужно различать и не смешивать понятия «скорость распространения электрического тока » и «скорость движения носителей заряда » - это не одно и то же.
Когда мы говорим о скорости распространения электрического тока
в проводнике, то имеется в виду скорость распространения по проводнику электрического поля, которая примерно равна скорости света (≈ 300 000 км/сек)
. Однако это не означает, что движение носителей зарядов в проводнике происходит с этой огромной скоростью. Совсем нет.
Движение носителей заряда (в проводнике - это свободные электроны) происходит всегда довольно медленно , со скоростью направленного дрейфа от долей миллиметра до нескольких миллиметров в секунду , поскольку электрические заряды, сталкиваясь с атомами вещества, преодолевают большее или меньшее сопротивление своему движению в электрическом поле.
Но дело в том
, что свободных электронов в проводнике очень, очень много (если каждый атом меди имеет один свободный электрон, то в проводнике столько подвижных электронов, сколько и атомов меди). Свободные электроны имеются везде
в электрической цепи, включая, в том числе, и нить накаливания лампочки, которая является частью этой цепи.
При присоединении проводника к источнику электрической энергии в нем распространяется электрическое поле (со скоростью, близкой к скорости света), которое начинает действовать на ВСЕ свободные электроны практически одновременно.
Поэтому мы не наблюдаем никакого запаздывания между замыканием контактов выключателя и началом свечения лампочки, находящейся за десятки или сотни километров от электростанции. Включили напряжение, свободные электроны начали движение (во всей цепи одновременно), перенесли заряд, передали кинетическую энергию атомам вольфрама (нить накаливания), последняя нагрелась до свечения - вот и светит лампочка.
В случае переменного тока для получения требуемого тепла (рассеиваемой мощности нити накаливания) направление тока не имеет значения. Свободные электроны совершают колебания в соответствии с изменениями электрического поля и переносят заряд туда-обратно. При этом электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки вольфрама, передавая им свою энергию. Это приводит к нагреву нити накаливания лампочки и ее свечению.
От чего зависит скорость дрейфа носителей зарядов?
На скорость носителей заряда влияет также сопротивление проводника . Тонкий проводник имеет большее сопротивление, проводник большого диаметра имеет меньшее сопротивление. Соответственно, в тонком проводнике скорость потока свободных электронов будет больше, чем в толстом проводнике (при одном и том же токе).
Имеет значение и материал проводника: в алюминиевом проводнике скорость потока электронов будет больше, чем в медном проводнике такого же сечения. Это означает, кроме прочего, что один и тот же ток будет нагревать алюминиевый проводник больше, чем медный.
Тепловое действие тока
Свободные электроны
сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью.
Поскольку кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается ионам кристаллической решетки
при столкновении, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.
В случае переменного тока
имеет место тот же эффект. С той лишь разницей, что электроны не перемещаются в одном направлении, а под действием переменного электрического поля они колеблются вперед-назад с частотой сети (50/60 Гц), оставаясь практически на месте.
При этом электроны также сталкиваются с атомами кристаллической решетки металла, передают свою кинетическую энергию и это приводит к нагреву кристаллической решетки. При достаточно больших значениях тока сильно разогретая решетка может даже потерять постоянные связи (металл начнет плавиться).
Когда мы говорим об элементарных частицах, в голову сразу же приходят световые скорости и мгновенная передача данных. Но поверите ли вы, что электрон на самом деле движется даже медленнее, чем обычная улитка? Попробуем устроить небольшое соревнование и наглядно доказать, что улитка сможет опередить электрон.
Итак, проведем сравнение конкурентов.
Улитка – это брюхоногое, обитающее в лесах, парках, лугах и близ водоемов. Питается дикими и культурными растениями. Носит на спине красивую раковину, в которой пережидает зиму.
Электрон – это отрицательно заряженная элементарная частица, «обитающая» в атомах всех химических элементов. Электроны любят «питаться» электрическим полем, под воздействием которого начинают упорядоченно двигаться в определенную сторону, создавая электрический ток и активируя подключенные к розетке телефоны.
Казалось бы, какое может быть сравнение скоростей между улиткой, ползущей по земле, и электронами, двигающимися в проводе? Ведь скорость улитки составляет не больше 3 м/ч, а Но всё-таки у улитки существует возможность опередить электрон в скорости, и произойдет это в тот момент, пока элементарная частица движется в проводнике.
На первый взгляд, кажется, что электроны двигаются в проводе с огромной скоростью — ведь когда мы нажимаем на выключатель, лампочка в комнате загорается мгновенно. Но на самом деле это не электроны бегут по проводу со световой скоростью, а электрическое поле (то самое, которым «питаются» электроны) распространяется по всему проводнику со скоростью света, заставляя электроны упорядоченно двигаться в одну сторону одновременно по всей длине провода.
А скорость движения самих электронов не такая уж и большая. Её можно вычислить по следующей формуле:
I= n·A·V·Q, где
Например, сила тока равна 1 Ампер, количество электронов в медном проводе составляет 8.5 × 10 28 на м 3 , заряд электрона равняется 1.6 × 10 -19 , сечение провода возьмем 0,8 мм 2 .
Чтобы найти V, нам необходимо будет I поделить на n·A· Q. Произведя вычисления, мы получим результат, равный 1,4×10 -4 м/с. Это значит, что за одну секунду электрон проходит примерно одну седьмую часть миллиметра. Получается, час электрон сможет преодолеть расстояние, приблизительно равное 0,5 метра. Улитка же в это время, как мы помним, успеет преодолеть целых 3 метра.
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.
