elektrik akımının hızı
Bu düşünce deneyini yapalım. Şehirden 100 km uzaklıkta bir köy olduğunu ve şehirden o köye yaklaşık 100 km uzunluğunda ucunda ampul bulunan bir tel sinyal hattı çekildiğini düşünün. Korumalı iki damarlı bir hat, yol boyunca destekler üzerine serilir. Ve şimdi bu hat üzerinden kasabadan köye bir sinyal gönderirsek, oraya ulaşması ne kadar sürer?
Hesaplamalar ve deneyimler bize ampul şeklinde bir sinyalin diğer uçta en az 100/300000 saniyede, yani en az 333,3 μs'de (telin endüktansını hesaba katmadan) görüneceğini söylüyor. köy bir ışık yanacak, bu da telde bir akım kurulacağı anlamına gelir (örneğin, bir doğru akım kullanıyoruz) şarjlı kondansatör).
100 kilometre cinsinden telimizdeki her bir damarın uzunluğu ve saniyede 300.000 kilometre ışık hızıdır - yayılma hızı elektromanyetik dalga bir boşlukta. Evet, "elektronların hareketi" tel boyunca ışık hızında yayılacaktır.
Ancak elektronların birbiri ardına ışık hızında hareket etmeye başlaması, elektronların kendilerinin telde bu kadar muazzam bir hızla hareket ettikleri anlamına gelmez. Bir metal iletken, bir elektrolit veya başka bir iletken ortamdaki elektronlar veya iyonlar o kadar hızlı hareket edemezler, yani yük taşıyıcılar birbirlerine göre ışık hızında hareket etmezler.
Bu durumda ışık hızı, teldeki yük taşıyıcıların birbiri ardına hareket etmeye başladığı hızdır, yani yük taşıyıcıların öteleme hareketinin yayılma hızıdır. Yük taşıyıcıların kendilerinin doğru akımda, örneğin bir bakır telde, saniyede yalnızca birkaç milimetrelik bir "sürüklenme hızı" vardır!
Bu noktayı açıklığa kavuşturalım. Diyelim ki yüklü bir kondansatörümüz var ve ona kondansatörden 100 kilometre uzaklıktaki bir köye kurulu ampulümüzden uzun teller bağladık. Kabloların bağlanması yani devrenin kapatılması manuel olarak bir anahtar ile yapılır.
Ne olacak? Anahtar kapatıldığında, tellerin kondansatöre bağlı kısımlarında yüklü parçacıklar hareket etmeye başlar. Elektronlar kapasitörün negatif plakasını terk eder, kapasitörün dielektrikindeki elektrik alanı azalır, zıt (pozitif) plakanın pozitif yükü azalır - elektronlar bağlı telden içine akar.
Böylece levhalar arasındaki potansiyel fark azalır.Ve kondansatöre bitişik tellerdeki elektronlar hareket etmeye başladığından, tel üzerindeki uzak yerlerden diğer elektronlar yerlerine gelir, yani bir elektrik alanının etkisiyle teldeki elektronların yeniden dağılma süreci başlar. kapalı bir devrede. Bu işlem tel boyunca daha da yayılır ve sonunda sinyal lambası filamanına ulaşır.
Böylece elektrik alanındaki değişiklik tel boyunca ışık hızında yayılarak devredeki elektronları harekete geçirir. Ancak elektronların kendileri çok daha yavaş hareket eder.
Daha ileri gitmeden önce bir hidrolik analoji düşünün. Maden suyu köyden şehre boruyla aksın. Sabah köyde bir pompa çalıştırıldı ve köy kaynağından gelen suyu şehre taşımak için borudaki su basıncını artırmaya başladı.Basınçtaki değişiklik boru hattı boyunca çok hızlı bir şekilde yayılıyor. yaklaşık 1400 km / s (suyun yoğunluğuna, sıcaklığına, basıncın büyüklüğüne bağlıdır).
Köyde pompa açıldıktan saniyeler sonra şehre su akmaya başladı. Ama bu şu anda köyün içinden akan su ile aynı mı? HAYIR! Örneğimizdeki su molekülleri birbirlerini iterler ve sapma hızları basıncın büyüklüğüne bağlı olduğu için kendileri çok daha yavaş hareket ederler. Moleküllerin birbirine çarpması, moleküllerin tüp boyunca hareketinden çok daha hızlı ilerler.
Yani bir elektrik akımı ile: bir elektrik alanının yayılma hızı, basıncın yayılmasına benzer ve bir akım oluşturan elektronların hareket hızı, doğrudan su moleküllerinin hareketine benzer.
Şimdi doğrudan elektronlara geri dönelim. Elektronların (veya diğer yük taşıyıcıların) düzenli hareket hızına sürüklenme hızı denir. Elektronları eylem yoluyla kazanır dış elektrik alan.
Harici bir elektrik alanı yoksa, elektronlar iletken içinde yalnızca termal hareketle kaotik bir şekilde hareket eder, ancak yönlendirilmiş akım yoktur ve bu nedenle ortalama sürüklenme hızı sıfır olur.
Bir iletkene harici bir elektrik alanı uygulanırsa, iletkenin malzemesine, yük taşıyıcıların kütlesine ve yüküne, sıcaklığa, potansiyel farka bağlı olarak yük taşıyıcılar hareket etmeye başlayacak, ancak hızları artacaktır. Bu hareketin hızı, ışık hızından önemli ölçüde daha az, saniyede yaklaşık 0,5 mm olacaktır (içinden 10 A akımın aktığı 1 mm2 kesitli bir bakır tel için, ortalama elektron sürüklenme hızı 0,6– olacaktır. 6 mm / sn).
Bu hız, iletken n'deki serbest yük taşıyıcılarının konsantrasyonuna, iletken S'nin kesit alanına, e parçacığının yüküne, I akımının büyüklüğüne bağlıdır. Elektrik akımının (elektromanyetik dalganın önü) tel boyunca ışık hızında yayılması gerçeği, elektronların kendileri çok daha yavaş hareket eder. Akıntının hızının çok düşük bir hız olduğu ortaya çıktı.