Меню

Скорость распространения поля зарядов тока в проводнике

Электрический ток и его скорость

движение электронов в токе

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:

Источник

Скорость тока не равна скорости света!

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.
Читайте также:  Как рассчитать нагрузку для постоянного тока

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.

Скорость тока не равна скорости света! : 11 комментариев

Ну ла епт посмотрел бы как свет распространяется в проводнике у вас…

Это даже не машинный перевод с английского, это перевод с китайского. Типа, Али.

Статья для тех, кто плохо учился в школе.
Скорость свободных электронов и скорость электрического тока – это не одно и то же.

Ток имеет две составляющие:
1) ток сверхпроводимости, как туннелирование зарядов в фотоно-зарядовой среде электронного облака;
2) ток потерь, как движение электронов, обеспечивающих непрерывность фотоно-зарядовой среды, как электронного облака.

Доля второй составляющей в проводниках ничтожна и идет на разогрев проводников. Скорость движения электронов также невелика.

Основная доля – это ток сверхпроводимости. Заряды не путать с электронами и позитронами. Скорость зарядов в проводнике, по крайней мере, не меньше скорости света.

Скорость тока обусловлена не скоростью движения носителей электричества, электронов и ионов, а скоростью распространения электрического поля, а она равно скорости света.

Не надо путать скорость движения электрических зарядов со скоростью передачи напряжения. Скорость распространения напряжения и скорость света должны быть соизмеримы. Это передача давления/разрежения в эфире вакуума (около 300 000 км/с).

Впечатление такое, что автор даже школьные уроки физики прокурил в туалете.
Скорость тока как скорость движения заряженных частиц — объектов, имеющих ненулевую массу покоя, никогда не достигнет скорости света — специальная теория относительности это не позволяет.
А вот скорость распространения тока всегда и в точности равна скорости света в вакууме.
Потому что по сути в каждом случае это скорость распространения электромагнитного поля — одного и того же природного явления.

Если рассмотреть точку как энергетическое поле, то на основании Закона Проективности точка превращается в бесконечную линию которая обладает той же энергетикой, что и точка в любой точке бесконечной линии! Ну, где-то так… Отсюда, скорость передача энергии в космологическом пространстве ЭФИРА на порядки превышает скорость распространения света по-Эйнштейну!

Поздравляю с открытием природы электрического тока!

Скорость тока бесконечна. Я это могу доказать. Представьте ниточку, длиной 1 млн км. А теперь, давайте дернем за конец ниточки с одной стороны. Как вы думаете, через сколько времени дернется второй конец ниточки? А ниточка – это проводник.
Если на одном конце не станет тока, то на другом конце мгновенно исчезнет ток. Почему?
Потому что ток это не один электрон, а цепочка электронов, которые двигаются, пока замкнута цепь. При разрыве цепи движение электронов прекращается мгновенно на всей цепи, каким длинным ни был проводник.

Еще ни кто толком не объяснил, что вообще такое электрический ток,его природу, свойства, возможности – так домыслы, предположения. Один великий Н.Тесла знал, но объяснить не смог или не хотел, зная, что понять его не смогут. Посмотришь на учебники по электричеству, типа учебника по ТОЭ, – и оторопь берет: 10 см. толщины книги оказываются бессильными объяснить что такое электричество. И всё потому, что авторы сами блуждают в догадках и предположениях.

Читайте также:  Чем отличается проводник по которому течет ток от проводника по которому ток не течет

Источник

Проектируем электрику вместе

О скорости распространения электрического тока

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?

Скорость направленного дрейфа носителей зарядов в электрическом поле пропорциональна величине электрического тока: небольшой ток означает медленную скорость потока зарядов, большой ток означает б о льшую скорость.

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

Рассмотрим природу теплового действия тока более подробно.
При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток.

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).

Источник



Почему ток в розетке и проводах не бежит со скоростью света? Или все-таки.

Любой человек, разбирающийся в физике, скажет, что скорость движения электрического тока равна скорости света и составляет 300 тысяч километров в секунду. С одной стороны он прав на 100%, но есть нюансы.

скорость тока в проводах Со светом все просто и прозрачно: скорость полета фотона равна скорости распространения светового луча. С электронами сложнее. Электрический ток сильно отличается от видимого излучения.

Читайте также:  Определить направление индукционного тока возникающего в витке в рис 100

Почему считается, что скорость полета фотонов в вакууме и скорость электронов в проводнике одинакова? Утверждение основано на фактических результатах. В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц экспериментально установил, что электромагнитная волна распространяется в вакууме так же быстро как свет. Но можно ли говорить, что электроны в проводнике летят со скоростью света? Надо разобраться с природой электричества.

Что такое электрический ток?

Из школьного курса физики известно, что электричество – это поток электронов, упорядоченно перемещающихся в проводнике. Пока источника электричества нет, электроны движутся в проводнике хаотически, в разных направлениях. Если суммировать траектории всех заряженных частиц, получится ноль. Поэтому кусок металла не бьет током.

Если металлический предмет подсоединить к электрической цепи, все электроны в нем выстроятся в цепочку и потекут от одного полюса к другому. Насколько быстро произойдет упорядочение? Со скоростью света в вакууме. Но это не означает, что электроны полетели от одного полюса к другому также стремительно. Это заблуждение. Просто люди настолько привыкли к утверждению, что электричество распространяется так же быстро как свет, что не особо задумываются над деталями.

Популярные заблуждения о скорости света

Еще одним примером такого поверхностного восприятия можно назвать понятие о природе молнии. Многие ли задумываются, какие физические процессы происходят во время грозы? Какова, например, скорость молнии? Можно ли без приборов узнать, на какой высоте бушуют грозовые разряды? Разберемся со всем этим по порядку.

Кто-то может сказать, что молния бьет со скоростью света, и будет не прав. Настолько быстро распространяется вспышка, вызванная гигантским электрическим разрядом в атмосфере, но сама молния гораздо медленнее. Грозовой разряд – это не удар луча света наподобие лазера, хотя визуально похоже. Это сложная структура в насыщенной электричеством атмосфере.

гроза новосибирск академгородок

Ступенчатый лидер или главный канал молнии формируется в несколько этапов. Каждая ступень в десятки метров образуется со скоростью около 100 км/сек вдоль разрядных нитей из ионизированных частиц. Направление меняется на каждом этапе, поэтому молния имеет вид извилистой линии. 100 километров в секунду – это быстро, но до скорости электромагнитной волны очень далеко. В три тысячи раз.

Что быстрее: молния или гром?

Этот детский вопрос имеет простой ответ – молния. Из того же школьного курса физики известно, что скорость звука в воздухе равна примерно 331 м/сек. Почти в миллион раз медленнее электромагнитной волны. Зная это, легко понять, как высчитать расстояние до молнии.

Свет вспышки доходит до нас в момент разряда, а звук летит дольше. Достаточно засечь промежуток времени между вспышкой и громом. Теперь просто считаем, насколько далеко от нас ударила молния, по простой формуле:

Где T – это время от вспышки до грома, а L – это расстояние от нас до молнии в метрах.

Например, гром прогремел через 7.2 секунды после вспышки. 331 × 7.2 = 2383. Получается, что молния ударила на высоте 2 километра 383 метра.

Скорость электромагнитной волны – это не скорость тока

Теперь будем более внимательны к цифрам и терминам. На примере молнии убедились, что маленькое неверное допущение может привести к большим промахам. Точно известно, что скорость распространения электромагнитной волны равна 300 000 километров в секунду. Однако это не означает, что электроны в проводнике перемещаются с такой же скоростью.

Представим, что две команды соревнуются, кто быстрее доставит мяч с одного края поля на другой. Обязательное условие – каждый член команды сделает несколько шагов с мячом в руках. В одной команде пять человек, а в другой – один. Пятеро, выстроившись в цепочку, сыграют в пас, сделав каждый несколько шагов в направлении от старта к финишу. Одиночке придется бежать всю дистанцию. Очевидно, что победят пятеро, потому что мяч летит быстрее, чем человек бегает.

Так же и с электричеством. Электроны «бегают» медленно (собственная скорость элементарных частиц в направленном потоке исчисляется миллиметрами в секунду), но передают друг другу «мячик» заряда очень быстро. При отсутствии разности потенциалов на разноименных концах проводника все электроны движутся хаотично. Это тепловое движение, присутствующее в каждом веществе.

Если бы электроны двигались в проводах со скоростью света

Представим, что скорость электронов в проводнике все-таки близка к световой. В этом случае современная энергетика была бы невозможна в привычном для нас виде. Если бы электроны двигались по проводам, пролетая 300 000 километров в секунду, пришлось бы решать очень сложные технические задачи.

адронный коллайдер

Самая очевидная проблема: на такой скорости электроны не смогут следовать за поворотами проводов. Разогнавшись на прямом участке, заряженные частицы будут вылетать по касательной как не вписавшиеся в вираж автомобили. Чтобы удержать летящие на космических скоростях электроны внутри энергетических магистралей, придется снабжать провода электромагнитными ловушками. Каждый участок проводки станет похожим на фрагмент адронного коллайдера.

К счастью элементарные частицы предвигаются гораздо медленнее и для передачи энергии на дальние расстояния вполне пригодны неизолированные алюминиевые провода для ЛЭП

Надеемся, что ознакомившись с этим обзором, вы нашли ответ на вопрос почему ток не бежит по кабелям со скоростью света и вспомнили кое-что из школьного курса физики, а это, согласитесь, крайне полезно в любом возрасте.

Источник