Нам известно, что телу можно сообщить заряд. Если не прикасаться после этого к телу, то полученный заряд будет оставаться на этом теле, то есть, перемещаться не будет.
Но если заставить заряд двигаться, можно наблюдать интересные явления. Потому, что именно движущиеся заряды создают:
- выполнение работы электрическими двигателями;
- выделение тепла в электрических нагревательных приборах;
- свечение ламп накаливания.
Рис. 1. Что происходит благодаря движению зарядов
Скорость теплового движения свободных электронов
Нам известно, что общий заряд тела состоит из большого количества элементарных зарядов.
К примеру, в твердых телах положительные заряды – это ядра атомов, или ионы. А отрицательные – это электроны.
А в жидкостях или газах – положительные и отрицательные заряды – это ионы.
Примечание: Ион – атом, у которого присутствует избыток электронов, либо наоборот, электронов меньше, чем в нейтральном атоме.
Рассмотрим твердый проводник, в нем присутствуют свободные заряды. Это такие электроны, которые оторвались от своего атома и свободно путешествуют по всему объему проводника.
Рис. 2. Отличия свободных и связанных электронов в проводнике
Примечание: Проводник – это тело, в котором много свободных электронов.
Как известно из молекулярно-кинетической теории (МКТ), мельчайшие частицы вещества находятся в непрерывном движении. Это движение возникает под действием температуры, поэтому, его часто называют тепловым. Такое движение беспорядочное, то есть — хаотическое.
Рис. 3. Под действием температуры свободные заряды беспорядочно движутся
Рассчитаем, с какой скоростью электроны в проводнике беспорядочно перемещаются под действием температуры.
Для этого воспользуемся формулой среднеквадратичной скорости частиц из молекулярной физики:
[large v = sqrt{frac{3kT}{m}}]
Подставим в формулу такие числовые значения:
(large T = 300 left( Kright)) – комнатная температура +27 градусов Цельсия;
(large k = 1,38 cdot 10^{-23} left( frac{text{Дж}}{K}right) ) – постоянная Больцмана;
(large m = 9,1 cdot 10^{-31} left(text{кг}right) ) – масса электрона;
После расчетов получим скорость, примерно равную
[large v approx 117 left(frac{text{км}}{text{сек}}right) ]
Как видите, это очень большая скорость, более 100 километров в секунду.
Рис. 4. Скорость свободных электронов в меди
Примечание: Физики свободные электроны в проводнике рассматривают, как частицы идеального газа. Его так и называют – электронный газ.
Однако, еще раз подчеркну, что тепловое движение – хаотическое. С помощью такого движения электрический ток не создать. Потому, что ток – это направленное движение зарядов.
Что такое электрический ток
Электрический ток – это направленное движение электрических зарядов.
В металлических проводниках движутся отрицательные заряды — электроны.
А в других проводниках, например, в жидких электролитах, направленно могут двигаться положительные и отрицательные ионы.
Внутри полупроводников заряд переносят электроны и дырки.
Примечание: Дырка – это псевдочастица, вакантное место для электрона. Она имеет положительный заряд, ее можно рассматривать, как пузырек, находящийся в электронном газе.
Рис. 5. В различных средах электрический ток создают такие заряды
Мы видим, что электрический ток может создаваться движением, как положительных частиц, так и отрицательных.
При этом, положительные частицы будут притягиваться к отрицательному полюсу источника тока и двигаться по цепи к нему.
А отрицательные частицы будут притягиваться и двигаться к положительному полюсу источника тока.
Примечание: Чтобы определить направление движения заряженных частиц, можно воспользоваться аналогией с течением воды: Заряды, как вода, движутся оттуда, где их много, туда, где их мало. На заре изучения электричества считали, что во время протекания тока в телах протекает некая электрическая жидкость. Поэтому для электрического тока применяется аналогия с течением воды. Позже выяснилось, что никакой электрической жидкости в телах нет.
Если заряды движутся направленно, значит, и ток будет иметь направление.
Куда направлен ток
Как выбрать направление электрического тока? На движение каких частиц – положительных, или отрицательных, ориентироваться? Оказывается, направление тока — это условный выбор.
Физики договорились, что направление электрического тока совпадает с направлением движения положительных зарядов. Значит, ток направлен от «+» к «-» выводу источника тока.
Пусть, известно направление вектора напряженности (large vec{E} ) электрического поля. Чтобы определить направление тока, нужно считать, что в этом поле движутся положительно заряженные частицы.
Положительные заряды будут двигаться по направлению вектора (large vec{E} ), а отрицательные – навстречу вектору.
Рис. 6. Куда направлен ток
Примечание: В металлах электроны движутся от минуса к плюсу, а ток направлен от плюса к минусу
Рис. 7. Направление движения зарядов и вектора напряженности электрического поля
Примечание: Наличие направленного движения зарядов можно определить косвенно. Протекая по проводнику, ток воздействует на этот проводник. Известны тепловое, химическое, или магнитное действие тока.
Чем больше ток, то есть, чем он сильнее, тем более заметно его действие.
Что такое поперечное сечение проводника
Электрический ток – это направленно движущиеся по проводнику свободные заряды. Его можно определить, когда известно количество заряженных частиц, прошедших через проводник.
Проводник может быть достаточно длинным. Поэтому неудобно учитывать заряды, находящиеся во всей длине проводника.
Чтобы было проще посчитать количество зарядов, на проводнике выбирают точку в любом удобном месте.
Через эту точку мысленно проводят плоскость, располагая ее перпендикулярно по отношению к проводнику. Так как эта плоскость в проводнике ограничивает собой площадь S, ее часто называют площадью поперечного сечения проводника.
Для вычисления силы тока, ведут подсчет зарядов, прошедших через это сечение.
Как рассчитать площадь сечения
Проводник будем считать круглой трубкой, по аналогии с трубой, по которой течет жидкость. Пользуясь этой аналогией, так же, примем, что внутри такой трубки будут двигаться заряды, они обозначены кружками на рисунке.
Рис. 8. Что такое поперечное сечение
Выделим на трубе какую-либо точку. Мысленно отрежем кусок трубы, проводя разрез перпендикулярно. Стенки трубки в месте отреза являются границей круга.
Площадь полученного круга можно вычислить по такой геометрической формуле:
[large boxed{ S_{0} = pi cdot frac{D^{2}}{4} = pi cdot R^{2} }]
(large S_{0} left( text{м}^{2} right)) – площадь круга;
(large pi approx 3,14) – число Пи;
(large D left(text{м}right)) – диаметр круга;
(large R left(text{м}right)) – радиус круга;
Проводник может иметь не только цилиндрическую форму. Промышленность изготавливает металлические проводники, имеющие квадратное, прямоугольное, треугольное или какое-либо другое сечение. Понятно, что площади таких сечений нужно рассчитывать, пользуясь другими геометрическими формулами.
Сила тока по определению
Силу тока (ток) обозначают большой латинской буквой (large I).
Постоянный ток можно рассматривать, как равномерное направленное движение заряженных частиц. Равномерное – значит, с одной и той же скоростью.
Если же ток изменяется, то будет изменяться и скорость движения зарядов.
Сила тока – это:
- физическая величина;
- отношение заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника к длительности промежутка времени, в течение которого заряд проходил.
Ток равен заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за одну секунду.
Для постоянного тока используем формулу:
[large boxed{ I = frac{Delta q}{Delta t} }]
(large I left(Aright)) – ток (сила тока) в Амперах;
(large Delta q left( text{Кл}right) ) – заряд в Кулонах, прошедший через поперечное сечение проводника;
(large Delta t left( cright) ) – промежуток (кусочек) времени, в течение которого заряд прошел;
[large boxed{ 1 A = frac{1 text{Кл}}{1 c} }]
Если электрический ток не изменяется ни по величине, ни по направлению, то его называют постоянным.
Если хотя бы одна из характеристик изменяется, ток называют переменным. Он будет различным в разные моменты времени. Если задано уравнение, описывающее, как изменяется заряд, то для вычисления такого тока удобно пользоваться производной.
Исключаем путаницу с понятием силы
В физике исторически сложилось использование таких терминов, как
- сила тока,
- электродвижущая сила,
- лошадиная сила.
Эти единицы измерения имеют в своем названии слово «сила». Из механики известно, что сила – величина векторная, измеряется в Ньютонах. Однако, пусть это не вводит вас в заблуждение.
Ни одна из описанных величин не измеряется в Ньютонах. Перечисленные величины имеют другие единицы измерения:
- силу тока измеряют в Амперах,
- электродвижущую силу – в Вольтах,
- а лошадиная сила – это единица измерения мощности, ее можно перевести в Ватты в системе СИ.
Чтобы исключить путаницу, вместо термина «сила тока», можно употреблять слово «ток». Сравните выражения: «Силу тока измеряют в Амперах» и «ток измеряют в Амперах».
Как видно, вполне можно обойтись словом «ток», вместо «силы тока». Смысл от этого не изменится.
Что такое 1 Ампер в системе СИ
Сила тока в 1 Ампер была определена в системе СИ с помощью силы взаимного действия двух проводников с током.
Рассмотрим два тонких проводника (рис. 9). Каждый проводник имеет бесконечную длину. Расположим их в вакууме параллельно на расстоянии 1 метр один от другого.
Рис. 9. Эталон силы тока 1 ампер в системе СИ
Выделим на каждом проводнике кусочек длиной 1 метр.
Если проводники взаимодействуют с силой (large 2 cdot 10^{-7} ) Ньютона, приходящейся на каждый метр их длины, то по каждому из них течет постоянный ток 1 Ампер.
Ампер – это основная единица в системе СИ. А заряд Кулон – величина, определяемая с помощью Ампера.
1 Кулон – это заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника с током 1 Ампер.
Один Ампер – много это, или мало
1 Ампер это 1 Кулон деленный на 1 секунду. Для большинства бытовых электроприборов это достаточно большая сила тока.
Например, через энергосберегающие лампы протекают токи 0,04 — 0,08 Ампера.
Большой плоский телевизор от электроосветительной сети потребляет ток 0,2 Ампера.
Лампа накаливания –примерно 0,5 Ампера.
Как видно, большинство электроприборов потребляют токи менее одного Ампера.
Поэтому, для тока часто применяют дольные единицы измерения:
миллиамперы, микроамперы, и наноамперы:
1мА (миллиампер)= 10⁻³ А
1мкА (микроампер) = 10⁻⁶ А
1нА (наноампер) = 10⁻9 А
Ток зарядки аккумулятора мобильного телефона может достигать 2 Ампер.
А через электрический обогреватель, или электрочайник, протекает ток силой до 10 Ампер.
Примечание: Ток силой всего 0,05 А может привести к летальному исходу. Будьте осторожны с электричеством!
В то же время, используют и токи, превышающие сотни Ампер. Например, на промышленных электростанциях.
Для таких токов применяют кратные единицы: килоампер, мегаампер.
1КА (килоампер)= 10³ А
1МА (мегаампер) = 10⁶ А
Связь между силой тока и скоростью движения зарядов
Рассмотрим металлический проводник. Мысленно выделим в нем два сечения площадью (large S ) на некотором расстоянии (large Delta x) одно от другого. Сечения располагаются поперечно проводнику.
В металлах электрический ток создается электронами. Обозначим (large e_{0}) заряд каждого электрона.
Рис. 10. Свободные заряды в объеме проводника
Заряды в проводнике, под действием электрического поля напряженностью (large vec{E} ) будут двигаться сонаправленно, от сечения к сечению.
При этом, они будут проходить путь (large Delta x) между двумя сечениями.
Если ток постоянный, то скорость движения зарядов изменяться не будет.
В таком случае, расстояние (large Delta x) и скорость (large v) движения электронов будут связаны формулой равномерного движения.
[large Delta x = v cdot Delta t]
(large Delta x left( text{м}right) ) – расстояние между двумя поперечными сечениями;
(large v left( frac{text{м}}{c}right) ) – скорость, с которой сонаправленно движутся заряды в проводнике; Эта скорость значительно меньше скорости теплового движения.
(large Delta t left( c right) ) – интервал времени, за который пройдено расстояние (large Delta x) между двумя поперечными сечениями;
Выразим из этой формулы время движения:
[large Delta t = frac {Delta x}{v} ]
Это выражение нам понадобится далее.
Сечения (large S ) и расстояние между ними (large Delta x) образуют в проводнике цилиндрический объем:
[large V = S cdot Delta x]
(large V left( text{м}^{3}right) ) – объем цилиндра;
В этом объеме содержится определенное количество электронов. Обозначим это количество: (large N ) штук.
Количество штук (large N ), расположенное в объеме (large V), называют концентрацией:
[large n = frac{N}{V} ]
(large n left( frac{text{штук}}{text{м}^{3}}right) ) – концентрация зарядов в объеме;
Найдем общий заряд всех заряженных частиц, расположенных в объеме (large V) между двумя поперечными сечениями:
[large Delta q = e_{0} cdot N]
Умножим правую часть уравнения на единицу, которую представим в виде дроби (displaystyle frac{V}{V}), в которой (large V) – это рассматриваемый объем. Тогда полный заряд можно записать в таком виде:
[large Delta q = e_{0} cdot N cdot 1 = e_{0} cdot N cdot frac{V}{V}]
Числитель V дроби и количество N частиц поменяем местами.
[large Delta q = e_{0} cdot V cdot frac{N}{V}]
Подставим в эту формулу выражение для объема:
[large Delta q = e_{0} cdot S cdot Delta x cdot frac{N}{V}]
Дробь в правой части заменим символом «n» концентрации:
[large Delta q = e_{0} cdot S cdot Delta x cdot n]
Средняя скорость совместного направленного движения зарядов (large v).
Применим определение силы тока:
[large I = frac {Delta q}{Delta t} ]
Подставим в это выражение формулу для общего заряда, прошедшего через сечение проводника:
[large I = frac {Delta q}{Delta t} = frac {e_{0} cdot S cdot Delta x cdot n}{Delta t} ]
Выражение для удобства можно переписать так:
[large I = e_{0} cdot S cdot Delta x cdot ncdot frac {1}{Delta t} ]
Мы заранее выразили время (large Delta t ):
[large Delta t = frac {Delta x}{v} ]
Найдем для него обратную величину:
[large frac {1}{Delta t} = frac {v}{Delta x} ]
Подставим ее в формулу для тока:
[large I = e_{0} cdot S cdot Delta x cdot n cdot frac {v}{Delta x}]
Расстояние (Delta x) находится в числителе и в знаменателе, оно сократится. Окончательно получим выражение для связи между силой тока и скоростью движения зарядов:
[large boxed{I = e_{0} cdot S cdot n cdot {v}}]
Теперь можно утверждать, что
- чем больше зарядов помещаются в объеме,
- чем быстрее они сонаправленно двигаются
- и, чем толще проводник (чем больше площадь поперечного сечения),
тем больше ток.
Расчет скорости направленного движения электронов
Для этого можно использовать полученную формулу:
[large I = e_{0} cdot S cdot n cdot {v}]
Из нее можно выразить скорость:
[large boxed{frac{I}{e_{0} cdot S cdot n} = v}]
Чтобы найти скорость, с которой электроны движутся в проводнике, нужно: ток (I) разделить на заряд (е) электрона, концентрацию (n) электронов и площади сечения проводника (S).
Большинство соединительных проводников изготавливают из меди, или алюминия. Выберем медный проводник, имеющий цилиндрическую форму.
Площадь поперечного сечения выберем равной 1 миллиметру в квадрате:
[large S = 10^{-6} left( text{м}^{2}right) ]
Число атомов в объеме – концентрация, связано с плотностью вещества (ссылка). Для меди концентрацию атомов вычислить несложно. Она
[large n = 8,5 cdot 10^{28} left( frac{text{штук}}{text{м}^{3}}right) ]
равна концентрации электронов.
Примечание: Каждый атом меди отдает один из своих валентных электронов и, он превращается в свободный электрон. Поэтому, количество свободных электронов, находящихся в выбранном объеме меди будет равно количеству атомов в этом объеме.
Заряд электрона известен:
[large e_{0} = 1,6 cdot 10^{-19} left(text{Кл}right) ]
Предположим, в проводнике протекает ток силой 1 Ампер.
Тогда, скорость движения электронов:
[large v = frac{1}{1,6 cdot 10^{-19} cdot 10^{-6} cdot 8,5 cdot 10^{28}} ]
[large v = 7 cdot 10^{-5} left( frac{text{м}}{c}right) ]
Это меньше, чем 0,1 мм в секунду.
Рис. 11. Электроны в меди направленно двигаются медленно
Скорость распространения электрического поля и скорость движения зарядов — в чем различия
Нужно различать скорость, с которой распространяется электрическое поле, при подключении к проводнику источника тока и скорость движения заряженных частиц в проводнике.
Скорость, с которой распространяется электрическое поле напряженностью (large vec{E}) – равна скорости света:
[large c = 3 cdot 10^{8} left( frac{text{м}}{c} right)]
А скорость направленного движения зарядов значительно меньше — менее 0,1 мм в секунду.
Рис. 12. Заряды одновременно участвуют в двух движениях
Примечание: В качестве скорости направленного движения свободных зарядов, выбирают среднее значение скорости, с которой перемещаются заряды во время протекания тока. Ее, так же, называют скоростью дрейфа.
В то же время, при комнатной температуре скорость беспорядочного теплового движения электронов немногим более 100 километров в секунду.
То есть, заряды быстро движутся хаотично, но при этом, они согласованно и достаточно медленно передвигаются в определенном направлении.
Такое движение можно сравнить с движением потока муравьев на лесной тропе. Каждый муравей в потоке движется хаотично. Но при этом, весь поток движется согласованно в выбранную сторону.
Рис. 13. Движение муравьев и движение зарядов во время протекания электрического тока можно сравнить
Пользуясь аналогией из окружающей природы, движение заряженных частиц во время протекания электрического тока можно сравнить с движением муравьев.
Каждая частица движется хаотически под действием температуры и одновременно с этим, все частицы смещаются в одном направлении в общем потоке под действием электрического поля.
Условия существования постоянного тока
Напомню, что ток называют постоянным, если его сила не изменяется со временем.
Для обозначения постоянного тока математики используют такую сокращенную запись:
[large boxed{ I = const }]
Чтобы ток мог существовать, нужно, чтобы выполнялись несколько условий.
Рис. 14. Чтобы ток существовал, нужно, чтобы выполнялись такие условия
Нужно, чтобы между телами, заряженными противоположно, непрерывно существовало электрическое поле. Так же, в цепи должны присутствовать свободные носители заряда. А сама электрическая цепь должна быть замкнутой.
Рассмотрим эти условия подробнее.
Создаем кратковременный ток и выясняем условия его существования
Можно создать электрический ток с помощью двух заряженных противоположно тел.
Ток – это движение зарядов. Поэтому, нужно обеспечить возможность зарядам двигаться. То есть, нужно создать между телами дорожку, по которой заряды начнут перемещаться из одного места пространства в другое.
Продемонстрировать возникновение тока на небольшой промежуток времени можно с помощью двух электрометров, заряженных противоположно.
Попробуем для начала соединить два заряженных тела куском диэлектрика (рис. 15).
Рис. 15. Если диэлектриком соединить два заряженных тела, электрический ток не возникает
Как видно, после соединения заряд каждого из электрометров не изменился.
Это значит, что ток не возник. Дело в том, что в диэлектрике все электроны связаны со своими атомами и свободных электронов нет.
Именно свободные заряды будут передвигаться и их согласованное направленное движение мы назовем электрическим током.
Поэтому, одним из условий существования тока будет наличие свободных зарядов. То есть, наличие проводника, содержащего такие заряды.
Условие 1. Чтобы ток существовал, требуется наличие свободных зарядов.
Однако, только лишь наличия проводника недостаточно. Действительно, в проводнике присутствуют свободные заряды. Но для того, чтобы эти заряды начали совместное движение в определенную сторону, нужно, чтобы на них подействовала сила, которая будет их передвигать в этом направлении.
Сила будет действовать на заряженную частицу, если ее поместить в электрическом поле.
Электрическое поле существует в пространстве вокруг заряженных тел.
Если соединить проводником два тела, имеющие противоположные заряды, то на свободные частицы в проводнике будет действовать электрическое поле. Это поле подхватит заставит двигаться электроны в определенном направлении.
Поэтому, еще одно условие для возникновения тока – это электрическое поле.
Рис. 16. После соединения проводником, заряженные противоположными зарядами электрометры разрядились
Условие 2. Чтобы ток существовал, требуется наличие электрического поля.
Рис. 17. Электроны двигаются против направления электрического поля
Ток течет в направлении движения положительных зарядов.
Соединив два заряженных металлических тела проводником, мы получим ток лишь на короткий промежуток времени. Это время будет составлять доли секунды.
Кроме того, в начальный момент времени сила тока будет самой большой. А далее будет убывать по мере того, как тела будут разряжаться и их потенциалы (ссылка) будут выравниваться.
Мы же хотим, чтобы ток протекал постоянно, или, по крайней мере, достаточно длительный промежуток времени, выбранный по нашему усмотрению. И чтобы во время протекания тока его сила не изменялась.
Как этого добиться? Мы вплотную приблизились к третьему условию существования постоянного электрического тока.
Как создать длительный ток и что для этого необходимо
Положительный заряд – это недостаток электронов, а отрицательный – это их избыток. В момент соединения тел проводником, отрицательные электроны устремились к положительно заряженному телу.
А в конце ток прекратился потому, что заряды тел скомпенсировались и тела превратились в электрически нейтральные. Нам известно, что нейтральные тела электрическое поле не создают.
Значит, ток существует до тех пор, пока существует электрическое поле. Поэтому, нужно каким-либо образом поддерживать электрическое поле. А для этого нужно, чтобы одно из тел обладало избыточным отрицательным зарядом. То есть, нужно поддерживать на одном из тел отрицательный, а на другом – положительный заряд. Пока заряды тел будут поддерживаться, ток будет существовать.
Чтобы на теле с положительным зарядом поддерживать этот заряд, нужно убирать с этого тела прибежавшие туда электроны и отправлять их обратно на отрицательно заряженное тело.
Такая схема по своему устройству напоминает фонтан, в котором насос поддерживает разность давлений. В нагнетающей воду трубе давление больше, чем в трубе, через которую вода поступает обратно в насос.
Рис. 18. Поток воды циркулирует благодаря насосу, поддерживающему разность давлений
Именно благодаря этой разности, из одной трубы вода выплескивается вверх, а собранная в чашу вода попадает обратно в насос. При этом, по контуру циркулирует одно и то же количество воды, то есть, водяной контур замкнут. А ток воды в этом контуре поддерживается специальным устройством – насосом. Он совершает работу против силы тяжести.
Рис. 19. Водяной насос в фонтане совершает работу против силы тяжести
Сторонние силы — что это такое
Подобно своеобразному насосу устроен источник тока. Внутри источника действуют сторонние силы. Они возвращают электроны на «-» контакт.
На заряды в электрическом поле будет действовать сила. Она называется силой Кулона и имеет электрическую природу. Электроны будут притягиваться к телу, имеющему положительный заряд.
Сила Кулона будет мешать возвращать электроны на отрицательное тело. Подобно силе тяжести, которая мешает воде в фонтане двигаться вверх.
Чтобы вернуть электроны на отрицательно («-») заряженное тело, нужно совершить работу против силы Кулона. Значит, должна присутствовать какая-то внешняя сила, возвращающая электроны на отрицательно («-») заряженное тело. Эта сила имеет неэлектрическую природу, она называется сторонней силой.
Рис. 20. Источник тока совершает работу против электрической силы Кулона
Теперь можно ответить на вопрос: Что такое источник тока?
Источник тока — это устройство, внутри которого сторонние силы перемещают заряды против сил Кулона. Сила Кулона – это сила, с которой электростатическое поле действует на заряд.
Во время существования электрического тока сами электроны не расходуются. Они, как вода в фонтане, циркулируют по замкнутой траектории.
Условие 3. Чтобы ток существовал длительно, электрическое поле нужно долговременно поддерживать.
Чтобы ток существовал постоянно, нужно, чтобы между заряженными противоположно телами электрическое поле существовало непрерывно.
Примечание: В качестве заряженных противоположно тел можно рассматривать контакты источника тока.
Для этого электроны нужно пропустить по замкнутому контуру, т. е. непрерывной электрической цепи. Поэтому, еще одно условие существования постоянного тока – это замкнутая электрическая цепь. Как только замыкается цепь, в направленное движение приходят все заряженные частицы, находящиеся в этой цепи.
Условие 4. Чтобы ток существовал, требуется, чтобы электрическая цепь была замкнутой.
Рис. 21. Электрический ток источник может создать только в замкнутой цепи
В такой цепи заряды циркулируют по замкнутой траектории. То есть, заряд, вышедший из источника и совершивший полный оборот, попадет обратно в источник тока. Там он будет подхвачен сторонними силами и через противоположный вывод источника тока попадает обратно в цепь. Затем, будет двигаться далее и, совершит следующий круг. Поэтому, во время протекания электрического тока сами заряды не расходуются.
Во время протекания электрического тока заряды не расходуются. То есть, по замкнутой цепи двигаются одни и те же заряды. Совершив круг, они попадают в источник и, выходя из противоположного его вывода направляются обратно в цепь.
Нам известно, если на заряд действует сила и, под действием этой силы заряд перемещается, то эта сила совершает работу.
Это значит, что сторонние силы в источнике совершают работу. Подробнее о работе сторонних сил (ссылка).
Здесь надо различать скорость движения собственно заряженных частиц, и скорость электрического тока. Сами частицы движутся довольно медленно, при переменном токе они движутся даже в разные стороны, т. е. в итоге, упрощенно, вообще никуда не передвигаются. Но вот сила, заставляющая эти частицы двигаться, распространяется по проводам именно со скоростью света (тоже упрощенно) — 300 тыс. км/с.
Представить себе это можно на простом примере: допустим, вы дуете в трубу, и из нее начинает выходить воздух. Своим дыханием вы увеличиваете давление в трубе, и частицы воздуха начинают двигаться почти одновременно по всей трубе. Но вот сами частицы из того участка трубы, в который вы начали дуть, дойдут до конца трубы далеко не сразу. Так же и с электричеством, только в трубе — разность давлений, а для провода — разность потенциалов. И скорости сильно отличаются, конечно.
Сопротивление тоже можно себе представить на том же примере — пусть труба будет не гладкая, а с пористым материалом внутри, например. Тогда усилий для продувки через нее воздуха нужно будет намного больше.
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:
- Блуждающие токи: причина возникновения и защита от них
- Причины возникновения короткого замыкания и методы его устранения
- Влияние электрического тока на организм человека
- Энергетическая система страны
- Влияние света на организм человека
From Wikipedia, the free encyclopedia
The word electricity refers generally to the movement of electrons (or other charge carriers) through a conductor in the presence of a potential difference or an electric field. The speed of this flow has multiple meanings. In everyday electrical and electronic devices, the signals travel as electromagnetic waves typically at 50%–99% of the speed of light in vacuum, while the electrons themselves move much more slowly; see drift velocity and electron mobility.
Electromagnetic waves[edit]
The speed at which energy or signals travel down a cable is actually the speed of the electromagnetic wave traveling along (guided by) the cable. I.e., a cable is a form of a waveguide. The propagation of the wave is affected by the interaction with the material(s) in and surrounding the cable, caused by the presence of electric charge carriers (interacting with the electric field component) and magnetic dipoles (interacting with the magnetic field component). These interactions are typically described using mean field theory by the permeability and the permittivity of the materials involved.
The energy/signal usually flows overwhelmingly outside the electric conductor of a cable; the purpose of the conductor is thus not to conduct energy, but to guide the energy-carrying wave.[1]: 360
Velocity of electromagnetic waves in good dielectrics[edit]
The velocity of electromagnetic waves in a low-loss dielectric is given by[1]: 346
where
Velocity of electromagnetic waves in good conductors[edit]
The velocity of transverse electromagnetic (TEM) mode waves in a good conductor is given by[1]: 360 [2]: 142 [3]: 50–52
where
and permeability is defined as above in § Speed of electromagnetic waves in good dielectrics
This velocity is the speed with which electromagnetic waves penetrate into the conductor and is not the drift velocity of the conduction electrons. In copper at 60 Hz, 
3.2 m/s. As a consequence of Snell’s Law and the extremely low speed, electromagnetic waves always enter good conductors in a direction that is within a milliradian of normal to the surface, regardless of the angle of incidence.
Electromagnetic waves in circuits[edit]
In the theoretical investigation of electric circuits, the velocity of propagation of the electromagnetic field through space is usually not considered; the field is assumed, as a precondition, to be present throughout space. The magnetic component of the field is considered to be in phase with the current, and the electric component is considered to be in phase with the voltage. The electric field starts at the conductor, and propagates through space at the velocity of light (which depends on the material it is traveling through). Note that the electromagnetic fields do not move through space. It is the electromagnetic energy that moves; the corresponding fields simply grow and decline in a region of space in response to the flow of energy. At any point in space, the electric field corresponds not to the condition of the electric energy flow at that moment, but to that of the flow at a moment earlier. The latency is determined by the time required for the field to propagate from the conductor to the point under consideration. In other words, the greater the distance from the conductor, the more the electric field lags.[4]
Since the velocity of propagation is very high – about 300,000 kilometers per second – the wave of an alternating or oscillating current, even of high frequency, is of considerable length. At 60 cycles per second, the wavelength is 5,000 kilometers, and even at 100,000 hertz, the wavelength is 3 kilometers. This is a very large distance compared to those typically used in field measurement and application.[4]
The important part of the electric field of a conductor extends to the return conductor, which usually is only a few feet distant. At greater distance, the aggregate field can be approximated by the differential field between conductor and return conductor, which tend to cancel. Hence, the intensity of the electric field is usually inappreciable at a distance which is still small compared to the wavelength. Within the range in which an appreciable field exists, this field is practically in phase with the flow of energy in the conductor. That is, the velocity of propagation has no appreciable effect unless the return conductor is very distant, or entirely absent, or the frequency is so high that the distance to the return conductor is an appreciable portion of the wavelength.[4]
Electric drift[edit]
The drift velocity deals with the average velocity of a particle, such as an electron, due to an electric field. In general, an electron will propagate randomly in a conductor at the Fermi velocity.[5] Free electrons in a conductor follow a random path. Without the presence of an electric field, the electrons have no net velocity. When a DC voltage is applied, the electron drift velocity will increase in speed proportionally to the strength of the electric field. The drift velocity in a 2 mm diameter copper wire in 1 ampere current is approximately 8 cm per hour. AC voltages cause no net movement; the electrons oscillate back and forth in response to the alternating electric field (over a distance of a few micrometers – see example calculation).
See also[edit]
- Speed of light
- Speed of gravity
- Speed of sound
- Telegrapher’s equations
- Reflections of signals on conducting lines
References[edit]
- ^ a b c Hayt, William H. (1989), Engineering Electromagnetics (5th ed.), McGraw-Hill, ISBN 0070274061
- ^ Balanis, Constantine A. (2012), Engineering Electromagnetics (2nd ed.), Wiley, ISBN 978-0-470-58948-9
- ^ Harrington, Roger F. (1961), Time-Harmonic Electromagnetic Fields, McGraw-Hill, ISBN 0-07-026745-6
- ^ a b c Theory and calculation of transient electric phenomena and oscillations By Charles Proteus Steinmetz
- ^ Academic Press dictionary of science and technology By Christopher G. Morris, Academic Press.
Further reading[edit]
- Alfvén, H. (1950). Cosmical electrodynamics. Oxford: Clarendon Press
- Alfvén, H. (1981). Cosmic plasma. Taylor & Francis US.
- «Velocity of Propagation of Electric Field», Theory and Calculation of Transient Electric Phenomena and Oscillations by Charles Proteus Steinmetz, Chapter VIII, p. 394-, McGraw-Hill, 1920.
- Fleming, J. A. (1911). Propagation of electric currents in telephone & telegraph conductors. New York: Van Nostrand
External links[edit]
- Propagation Times
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.
Электрические токи в природе
Атмосферное электричество — электричество, которое содержится в воздухе. Впервые показал присутствие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии Бенджамин Франклин. В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущении паров в верхних слоях атмосферы, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:
- при ясном небе, так же как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительное, если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
- напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
- атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
- место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю. Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10−12 А/м².
Полный ток, текущий на всю поверхность Земли, при этом составляет приблизительно 1800 А.
Молния является естественным искровым электрическим разрядом. Была установлена электрическая природа полярных сияний. Огни святого Эльма — естественный коронный электрический разряд.
Биотоки — движение ионов и электронов играет весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и у отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит при помощи электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрический угорь) способны накапливать потенциал в несколько сот вольт и используют это для самозащиты.
Действия электрического тока
Как мы можем определить, протекает электрический ток или нет? О возникновении электрического тока можно судить по следующим его проявлениям.
1. Тепловое действие тока. Электрический ток вызывает нагревание вещества, в котором он протекает. Именно так нагреваются спирали нагревательных приборов и ламп накаливания. Именно поэтому мы видим молнию. В основе действия тепловых амперметров лежит тепловое расширение проводника с током, приводящее к перемещению стрелки прибора.
2. Магнитное действие тока. Электрический ток создаёт магнитное поле: стрелка компаса, расположенная рядом с проводом, при включении тока поворачивается перпендикулярно проводу. Магнитное поле тока можно многократно усилить, если обмотать провод вокруг железного стержня — получится электромагнит. На этом принципе основано действие амперметров магнитоэлектрической системы: электромагнит поворачивается в поле постоянного магнита, в результате чего стрелка прибора перемещается по шкале.
3. Химическое действие тока. При прохождении тока через электролиты можно наблюдать изменение химического состава вещества. Так, в растворе 
положительные ионы
двигаются к отрицательному электроду, и этот электрод покрывается медью.
Электрический ток называется постоянным, если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд.
Сила и плотность тока
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время , к этому самому времени:
(1)
Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в А через поперечное сечение проводника за с проходит заряд в Кл.
Подчеркнём, что формула (1) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока. Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает с направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода (сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке).
В случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за с.
Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину плотности тока:
(2)
где — сила тока, — площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (1) имеем также:
Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (2), плотность тока измеряется в А/м2.
Направление электрического тока
Направление движения заряженных частиц, образующих ток, зависит от знака их заряда. Положительно заряженные частицы будут двигаться от «плюса» к «минусу», а отрицательно заряженные — наоборот, от «минуса» к «плюсу». В электролитах и газах, например, присутствуют как положительные, так и отрицательные свободные заряды, и ток создаётся их встречным движением в обоих направлениях. Какое же из этих направлений принять за направление электрического тока?
Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов.
Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу» (рис. 1; положительная клемма источника тока изображена длинной чертой, отрицательная клемма — короткой).
Рис. 1. Направление тока
Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространённым случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов. Это, конечно, не очень удобно.
Тут, однако, ничего не поделаешь — придётся принять эту ситуацию как данность. Так уж исторически сложилось. Выбор направления тока был предложен Ампером (договорённость о направлении тока понадобилась Амперу для того, чтобы дать чёткое правило определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Сегодня эту силу мы называем силой Ампера, направление которой определяется по правилу левой руки) в первой половине XIX века, за 70 лет до открытия электрона. К этому выбору все привыкли, и когда в 1916 году выяснилось, что ток в металлах вызван движением свободных электронов, ничего менять уже не стали.
Скорость электрического тока
Почему такой, казалось бы, простой и очевидный факт игнорируется учеными и зачем нужно было придумывать отрицательный заряд электронов и положительный для протонов – это вопрос не ко мне, а к ученым. Это им так проще и удобнее при рассмотрении множества других теоретических вопросов.
Таким образом, чем меньше площадь поперечного сечения проводника, тем меньше его пропускная способность за единицу времени, потому что скорость перемещения энергии ограничена скоростью движения фотонов. Когда мы умножаем площадь поперечного сечения проводника на длину проводника, то получаем условный объем электрического заряда в проводнике.
Когда мы пытаемся “прокачать” через поперечное сечение проводника объем энергии, больший пропускной способности проводника, то “избыточная” часть энергии поглощается проводником. Электроны, поглощая фотоны, переходят на более высокий энергетический уровень. Проводник нагревается и если температура окружающей среды при этом меньше температуры проводника, то проводник начинать излучать это тепло по всей своей длине.
При дальнейшем увеличении объема “прокачиваемой” энергии часть излучаемой “избыточной” энергии переходит в видимый нами спектр – проводник начинает светиться, причем сначала именно в красном спектре. При дальнейшем увеличении объема, часть энергии переходит в ультрафиолетовое излучение и так далее вплоть до γ-излучения, но как правило проводник плавится раньше, электроны переходят на еще более высокий энергетический уровень и материал проводника переходит в новое фазовое состояние – жидкое.
Кстати, сварщики такие загорелые там, где кожа не защищена от света, именно потому, что при сварке – плавлении проводника – достаточно большая часть энергии преобразуется в ультрафиолетовое излучение.
Думаю, теперь можно достаточно логично ответить и на другой вопрос: “Почему электрический заряд движется в направлении, противоположном направлению движения электронов?”
Ответ: Потому что соблюдается закон сохранения энергии.
E = mфc2/2 = mev2/2 (707.3)
Тут, кстати, возникает еще один очень интересный вопрос: “Почему для фотонов Е = mc2, а не Е= mc2/2?”
Возможный ответ: Потому что скорость света определена неправильно. Например если реальная скорость света равна 223000 км/с, то квадрат этой скорости в 2.008 раза меньше, чем квадрат скорости 316000 км/с. Возможно эта двойка именно отсюда и появилась. Впрочем это не имеет прямого отношения к теме данной статьи.
Со скоростью электронов я в последнее время немного разобрался. Электроны действительно законопослушные ребята и двигаются строго в пределах ныне существующих теорий со скоростью, которая может изменяться в очень узких пределах от 0 м/с до 300 000 км/с (в зависимости от выбранной теории). А так чтоб скорость хоть чуть-чуть меньше или больше была, то это ни в какую.
Правда, это возможная скорость при вращении электронов по орбите, а не линейная скорость перемещения в проводнике, но на такие мелочи и вовсе не стоит внимание обращать.
Скорость распространения электрического поля и тока в металлах
После создания электрического поля свободные электроны приходят в движение. Скорость их движения совсем небольшая. В среднем она составляет несколько миллиметров в секунду.
Но как тогда после щелчка выключателем лампа в комнате загорается мгновенно? Дело обстоит в следующем.
Именно само электрическое поле распространяется в проводнике с огромной скоростью. Она близка к скорости света в вакууме ($c = 300 space 000 frac{км}{с}$). Распространяется поле по всей длине проводника.
Соответственно, в движение приходят одновременно все электроны в проводнике. И те, что ближе к выключателю, и те, что ближе к электроприбору.
Например, пошлем электрический сигнал из Владивостока в Москву. Расстояние между этими городами составляет около 8000 км. В Москве сигнал будет зафиксирован уже через 0,03 с. Это не означает, что электроны от Владивостока проделали весь этот путь за указанное время и прибыли в Москву. Нет, это электрическое поле распространилось по проводам с невероятной скоростью и привело в движение самые ближние к приемнику в Москве электроны в движение, которое и было зафиксировано.
Поэтому, когда говорят о скорости распространения тока в проводнике, то имеется в виду скорость распространения электрического поля по всей длине проводника.
Скорость движения электронов в металлах
С какой скоростью все же двигаются сами электроны в металлах? Давайте ответим на этот вопрос и сравним полученную скорость со скоростью света, т.е. со скоростью распространения электрического поля по проводнику.
Скорость движения электронов при действии на них электрических сил называется дрейфовой скоростью.
Получается, что скорость распространения электрического поля по проводнику (скорость света) больше скорости движения электронов под действием этого же электрического поля.
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.
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.
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:
L =T × 331
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.
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.
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.
Заключение и выводы
Так, давайте вновь вернемся к току. Получается, если на проводник не воздействует электромагнитное поле, то движение электронов внутри провода происходит абсолютно в хаотичном порядке.
Как только к проводнику оказывается воздействие электрического поля, то в зависимости от таких факторов как температура проводника, материала, разности потенциалов, скорость электрического тока может варьироваться от 0,6 до 6 миллиметров в одну единицу времени. Как видите, эта величина очень далека от скорости света. И вычисляется она по следующей формуле:
Где n – концентрация свободных носителей, S – площадь сечения проводника, e – заряд частицы, I – сила тока.
Это все, что я хотел вам рассказать о скорости перемещения электрического тока по проводам. Если статья оказалась вам полезна, то оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание!
Предыдущая
ТеорияКак построить векторную диаграмму токов и напряжений
Следующая
ТеорияТиристорный преобразователь частоты