Скорость электрического тока: СКОРОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА | Наука и жизнь — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Сравнение скорости электрона и скорости электрического тока

На главную страницу

Скорость электрического тока как критерий выбора носителей электрического тока

Скорость носителей электрического тока должна совпадать со скоростью электрического тока.

Сейчас в электродинамике принята физическая модель электрического тока, в которой носителями электрического тока являются электроны проводимости.

Из анализа свойств индуктивного тока выведена другая физическая модель, где носителями электрического тока являются электроны, связанные в комплексы с магнитным полем проводника.

Проведём сравнительный анализ скорости этих двух физических моделей.

Сначала рассмотрим физическую модель электрического тока, где носителями электрического тока являются электроны проводимости.

1. Физическая модель, в которой носителями электрического тока являются электроны.

Скорость электрического тока равна скорости света. Электроны проводимости не могут достичь такой скорости. Согласно теории относительности Эйнштейна, скорость любых частиц, обладающих не нулевой массой покоя, не может достичь скорости света.

Но в проводнике первого рода ситуация с согласованием скоростей носителей электрического тока и самого электрического тока ещё хуже. Скорость электронов проводимости должна быть больше в 10.000.000.000.000.000.000.000.000 раз максимально возможной направленной скорости электронов.

Согласно существующей теории электрического тока, при постоянном электрическом токе электроны проводимости, переносящие электрический ток от электростанции до потребителя дойдут лет через сто (в зависимости от расстояния), а при переменном токе – никогда.

Однако мы знаем, что при включении рубильника на электростанции, напряжение мгновенно (со скоростью света), появляется у потребителя. Это известно из практики, поэтому в электродинамике скорость электрического тока принято считать равной скорости света независимо от того, что электроны не могут достичь этой скорости.

«Мы бы еще хотели подчеркнуть, что явление магнетизма — это на самом деле чисто релятивистский эффект. В только что рассмотренном случае двух зарядов, движущихся параллельно друг к другу, можно было бы ожидать, что понадобится сделать релятивистские поправки к их движению порядка . Эти поправки должны отвечать магнитной силе.

Но как быть с силой взаимодействия двух проводников в нашем опыте (рис.1)? Ведь магнитная сила — вся действующая сила. Она не очень — то смахивает на «релятивистскую поправку». Кроме того, если оценивать скорости электронов в проводе, то их средняя скорость вдоль провода составляет около 0,01 см/сек.

Рис. 1

Итак, равно примерно . Вполне пренебрежимая «поправка». Но нет! Хоть в этом случае магнитная сила и составляет от «нормальной» электрической силы, действующей между движущимися электронами, вспомните, что «нормальные» электрические силы исчезли в результате почти идеального баланса из — за того, что количества протонов и электронов в проводах одинаковы.

Этот баланс намного более точен, чем , и тот малый релятивистский член, который мы называем магнитной силой, — это единственный остающийся член, он становится преобладающим.

Почти полное уничтожение электрических эффектов и позволило физикам изучить релятивистские эффекты (т.е. магнетизм), и открыть правильные уравнения (с точностью до ), даже не зная, что в них происходит

». [1]

Для физики отказ от познания физической природы электрического тока выглядит странно, тем более что расхождение теоретических предположений и экспериментальных данных настолько большое, что можно говорить о неверно выбранных носителях электрического тока.

Носители электрического тока должны перемещаться вдоль проводника со скоростью, превосходящей максимальную скорость направленного движения электронов в (10.000.000.000.000.000.000.000.000) раз. Это для случая, когда проводник расплавляется. Для реальных токов это соотношение ещё больше.

Это означает, что носители тока в теории электрического тока ещё не определены, и нужно продолжать исследования в этом направлении.

Для поиска носителей электрического тока могут помочь эксперименты М. Фарадея с индукционным электрическим током. Индукционный ток может существовать только в случае очень жесткой взаимосвязи между электронами и магнитным полем. Носителем индукционного тока являются электроны, связанные в единый комплекс с магнитным полем.

2. Физическая модель, в которой носителями электрического тока являются связанные в единые комплексы электроны проводимости – магнитное поле.

В физической модели электрического тока, где носителями электрического тока являются электроны, связанные в единые комплексы электрон – магнитное поле, величина направленной скорости электронов проводимости значения не имеет.

Процесс прохождения электрического тока при носителях электрического тока электронах, связанных в единый комплекс с магнитным полем, происходит следующим образом.

При подаче электрического напряжения на проводник, электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью света. При своём распространении электрическое поле взаимодействует с уже находящимися в проводнике электронами проводимости. Воздействуя на электроны, внешнее напряжение заставляет электроны двигаться. Это движение возбуждает магнитное поле за счет взаимодействия внутри единого комплекса электрон – магнитное поле.

Скорость электрического тока при носителях электрического тока электронах, связанных в единый комплекс с магнитным полем, всегда равна скорости света.

Вывод: электроны, связанные в единый комплекс с магнитным полем, полностью подходят на роль носителей электрического тока.

Другой проблемой существующей физической модели электрического тока является предполагаемая зависимость скорости электрического тока от скорости электронов, как объём воды, протекающей по шлангу, зависит от скорости потока воды.

Физическая модель потока электричества по проводнику должна сопровождаться соответствующими выводами. В шланге с водой, чем больше поток воды, тем больше скорость движения воды.

Скорость электрического тока также должна зависеть от силы тока. Чем больше сила тока, тем больше должна быть скорость электрического тока.

Исходя из этой физической модели, теория электрического тока должна была вывести основную формулу — зависимость скорости электрического тока от его величины. Эта формула не была выведена, поскольку известно, что скорость электрического тока не зависит от скорости направленного движения электронов.

В альтернативной физической модели электрического тока, где носителями электрического тока являются электроны, связанные в единые комплексы с магнитным полем, скорость электрического тока не зависит от величины электрического тока и всегда равна скорости света.

Процесс прохождения электрического тока в соответствии с этой физической моделью происходит следующим образом.

При подаче напряжения на проводник, электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью света. При своём распространении электрическое поле взаимодействует с уже находящимися в проводнике электронами проводимости, связанные в единые комплексы с магнитным полем проводника.

Образуется магнитное поле проводника и возникает электрический ток.

Вывод: электроны проводимоти, связанные в комплексы с магнитным полем, полностью подходят на роль носителей электрического тока.

Литература

1. Фейнмановские лекции по физике. М., Издательство Мир, 1976.

2. Дрюков В.М. О чём молчат физики. Тула, 2004.

3 http://drjukow.narod.ru/.

4. https://sites.google.com/site/drjukow.

5. Дрюков В.М. Физика. Дополнительные материалы. Тула изд. ООО Аквариус. 2021

Поиск носителей электрического тока

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 большую 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).

Похожие статьи: 1. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
                              2. Направление электрического тока
                              3. Что такое электрический ток?
                              4. Проводники и изоляторы. Полупроводники
                              5. Постоянный и переменный ток
                              6. Электрический ток в жидкостях
                              7. Проводимость в газах
                              8. Электрический ток в вакууме
                              9. О проводимости полупроводников

Условия для существования электрического тока 10 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение

Мы изучаем электрический ток. Что нужно для его возникновения? Если в фонарик не вставить батарейку, он не будет работать, ток не потечет. Но и в батарейке, которая лежит на столе, ток тоже не течет. Почему? Разберемся в этом вопросе.

Электрический ток

Что такое электрический ток? В самом термине содержится указание – это течение электричества. Раньше, до открытия элементарных заряженных частиц, электрический заряд считали некой жидкостью, наполняющей заряженные тела. Перемещение этой жидкости и назвали электрическим током.

Сейчас, обладая знаниями о строении вещества, можно сказать, что сравнение оказалось достаточно точным и электрический ток можно действительно сравнить с течением некой жидкости (или более точное сравнение – с газом), только состоящей не из молекул, а из элементарных заряженных частиц.

На прошлом уроке мы разобрали, что такое электрический ток. Сегодня мы рассмотрим природу этого явления более подробно, чтобы понять, почему же оно возникает.

Дадим четкое определение. Мы знаем о носителях заряда, поэтому определим электрический ток как движение заряженных частиц. Вы помните из молекулярно-кинетической теории, что частицы, из которых состоит вещество, в том числе электроны, постоянно пребывают в тепловом хаотическом движении (см. рис. 1), но это не является электрическим током, как и тепловое движение молекул воды не создает течения. Все направления такого движения равновероятны, и суммарное перемещение при этом равно нулю. Течение наблюдается, когда движение направлено. Хаотическое движение при этом не прекращается, но оно складывается с направленным, и суммарное перемещение уже не равно нулю, система частиц в целом движется.

Рис. 1. Хаотическое движение

Поэтому определение тока дадим следующее.

Электрический ток – это направленное движение электрического заряда. Поскольку заряд не существует отдельно от носителя, ток можно определить как направленное движение заряженных частиц.

Скорость движения частиц

Частица обладает скоростью движения. В механике мы часто раскладывали скорость на составляющие и рассматривали их отдельно. То же можем сделать и сейчас для скоростей теплового направленного движения частицы.

Скорость ее теплового движения обычно составляет порядка сотен метров в секунду, но эта скорость нас сейчас не интересует, нас интересует направленное движение частиц.

Скорость направленного движения электронов в проводнике обычно составляет доли миллиметра в минуту, ее мы еще будем находить в одном из следующих уроков.

Заметьте: это не значит скорость распространения тока (это происходит почти мгновенно), это именно скорость движения частицы. То есть электрический ток возникает практически одновременно во всей цепи. Чтобы было понятно, проведем снова аналогию с током воды по трубе.

Например, есть труба длиной 1 метр. По ней течет вода со скоростью 10 . Суммарное перемещение молекул воды за секунду составит 10 см. Значит ли это, что ток распространится только на 10 см? Нет, вода течет по всей трубе, и любой элементарный объем воды внутри трубы переместится на 10 см (см. рис. 2).

Рис. 2. Перемещение любого объема воды в трубе

Таким образом, вода из одного конца трубы не переместится до второго конца, но течение распространится. Это произойдет потому, что по всему объему трубы по закону Паскаля распространяется давление, вызывающее ток, причем практически мгновенно. Так же в проводнике распространяется электрическое поле.

Носители заряда

Что может являться носителем заряда, образующим ток? Мы знаем два носителя электрического заряда: протон и электрон. Чтобы они могли создавать электрический ток, они также должны быть подвижными. Поэтому, например, в твердых веществах протоны, которые содержатся в ядрах атомов, не могут создавать электрический ток, поскольку атомы зафиксированы на своем месте в структуре вещества (см. рис. 3).

Рис. 3. Протоны в ядрах атомов твердых веществ

Электроны (это мы изучали на прошлом уроке) в диэлектриках не могут покидать атом, поэтому они тоже зафиксированы, а в проводниках один или несколько электронов в атоме слабо взаимодействуют с ядром и могут покидать атом. Такие электроны называются свободными.

Электрон может покинуть молекулу или атом газа, если сообщить ей достаточную для этого энергию. В этом случае получим свободный отрицательно заряженный электрон, а молекула или атом, потеряв электрон, приобретет положительный заряд и также станет свободным носителем заряда (см. рис. 4).

Рис. 4. Электрон покидает молекулу газа

Молекулы ряда веществ, которые называются электролитами, при растворении в воде распадаются на положительно и отрицательно заряженные части. Эти части называются ионами (см. рис. 5), они являются свободными носителями заряда в растворах электролитов.

Рис. 5. Свободные носители зарядов в растворах электролитов

Условия существования электрического тока

Рассмотрим протекание электрического тока на примере проводников. Какие условия должны выполняться, чтобы существовал электрический ток? Первое условие очевидно: чтобы существовало движение частиц, для этого нужно, чтобы были свободные частицы, способные передвигаться. В проводниках такими носителями тока являются свободные электроны.

Что заставляет частицу двигаться? Электрический заряд взаимодействует с электрическим полем, и на него действует сила (см. рис. 6). Эта сила и заставит электрон двигаться.

Рис. 6. Действие силы на электрический заряд

Второе условие существования электрического тока – наличие электрического поля в проводнике, которое характеризуется потенциалом в каждой точке или разностью потенциалов между двумя точками.

Достаточно ли этого? Проверим. Предположим, что у нас есть проводник со свободными носителями заряда и в проводнике есть электрическое поле (см. рис. 7).

Рис. 7. Проводник со свободными зарядами

Свободные электроны будут двигаться в сторону, противоположную вектору напряженности электрического поля, и будут скапливаться у одного из краев проводника, он станет заряжен отрицательно (см. рис. 8).

Рис. 8. Движение электронов в проводнике

У противоположного края при том же количестве атомов электронов будет меньше, поэтому он будет заряжен положительно. Этот процесс подробнее рассмотрен в ответвлении, скопившиеся заряды образуют свое электрическое поле, направленное противоположно внешнему и ослабляющее его. При ослаблении поля уменьшится и сила, которая разносит заряды по краям проводника, пока поля не уравновесятся. Эти процессы протекают быстро, и ток, как видим, быстро исчезает. Для его поддержания нужно, очевидно, чтобы электроны не накапливались на одном из краев проводника, а возвращались на противоположный край, т. е. цепь нужно замкнуть (см. рис. 9).

Рис. 9. Пример замкнутой цепи

Проводник во внешнем электрическом поле

Возьмем твердое тело – проводящую пластину – и поместим ее в однородное электрическое поле.

В первый момент, после внесения пластины в поле, возникнет электрический ток. Свободные носители заряда под действием силы со стороны внешнего электрического поля начнут движение и переместятся в соответствующую сторону проводника. Таким образом, один край пластины окажется заряженным положительно, другой – отрицательно (см. рис. 10).

Рис. 10. Перемещение свободных носителей заряда

Если бы мы разделили пластину на две части в момент, когда она находится в электрическом поле, то обе половинки оказались бы заряженными. Одна – положительно, другая – отрицательно. Эти области скопления зарядов создают свое электрическое поле, которое будет направлено в противоположную от внешнего сторону и будет стремиться скомпенсировать его (см. рис. 11).

Рис. 11. Электрическое поле зарядов

Движение носителей заряда прекратится лишь в тот момент, когда внутреннее и внешнее поле станут равны по модулю напряженности. То есть суммарное поле внутри проводника станет равно нулю:

Таким образом, внутри проводников электрическое поле отсутствует. На этом факте основана электростатическая защита. Приборы, которые необходимо защитить от электрического поля, помещают в специальные металлические ящики.

Итак, мы разобрали три условия возникновения электрического тока: наличие свободных носителей заряда; электрическое поле, которое будет вызывать движение заряженных частиц, и замкнутая цепь.

На следующих уроках мы продолжим изучение электрического тока. А сегодняшний урок окончен, спасибо за внимание!

Список литературы

Соколович Ю. А., Богданова Г. С. Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
Касьянов В. А. Физика. 10 кл.: Профильный уровень. 13-е издание. – М.: 2013 – 432 с.
Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. Физика: 10 кл., учебник для общеобразовательных учреждений, базовый и профильный уровни. – 19-е изд.– М.: «Просвещение», 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Интернет-портал «examen.ru» (Источник)
Портал Естественных Наук (Источник)
Интернет-портал «tel-spb.ru» (Источник)

Домашнее задание

Что такое электрический ток?
Какие условия существования электрического тока?

Скорость электронов меньше чем скорость распространения тока

Вопросы на тему «Электрический ток в металлах»

Вопрос 1. Что такое электрический ток?

Ответ.

Через различные вещества электрический ток проходит по-разному. Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля.

Вопрос 2. Каковы проводящие особенности металлов?

Ответ. Металлы – вещества, относящиеся к группе проводников.

В твёрдом состоянии металлы имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой;
Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять. Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными.

Экспериментально доказано, что носителями тока в металлах являются электроны. Проводимость металлических проводников называется электронной проводимостью.

Вопрос 3. Почему в проводниках (металлах) возникает ток?

Ответ. Электрический ток в металлах возникает под действием внешнего электрического поля. На электроны проводимости, находящиеся в этом поле, действует электрическая сила, сообщающая им ускорение, направленное в сторону, противоположную вектору напряженности поля. В итоге электроны приобретают некоторую добавочную скорость. Эту скорость электронов еще называют дрейфовой.

Вопрос 4. Почему проводники нагреваются, когда по ним протекает ток?

Ответ. При столкновении с ионами кристаллической решетки, электроны проводимости передают последним часть кинетической энергии. Это приводит к увеличению энергии движения ионов кристаллической решетки, а, следовательно, и к нагреванию проводника.

Вопрос 5. С какой скоростью распространяется ток в металлах?

Ответ. Следует помнить, что скорость распространения тока и скорость движения свободных электронов в металле – не одно и то же. Скорость распространения тока равна скорости распространения электрического поля в пространстве (скорости света), а дрейфовая скорость составляет лишь несколько долей миллиметра в секунду.

Нужна помощь в решении задач или выполнении других заданий? Обращайтесь в профессиональный сервис для учащихся в любое время.

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.

ФИЗИКА

§ 34. Электрический ток в металлах

Металлы в твёрдом состоянии, как известно, имеют кристаллическое строение. Частицы в кристаллах расположены в определённом порядке, образуя пространственную (кристаллическую) решётку.

В узлах кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны. Свободные электроны не связаны с ядрами своих атомов (рис. 53).

Рис. 53. Кристаллическая решётка металла

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нём движутся беспорядочно. Но если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникнет электрический ток. Беспорядочное движение электронов при этом сохраняется, подобно тому как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра она перемещается в одном направлении.

Итак, электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Мандельштам Леонид Исаакович (1879—1944)
Российский физик, академик. Внёс существенный вклад в развитие радиофизики и радиотехники.

Папалекси Николай Дмитриевич (1880—1947)
Российский физик, академик. Занимался исследованиями в области радиотехники, радиофизики, радиоастрономии.

Доказательством того, что ток в металлах обусловлен электронами, явились опыты физиков нашей страны Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмена.

Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика — несколько миллиметров в секунду, а иногда и еще меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/с), распространяется по всей длине проводника.

Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, при замыкании цепи электрической лампы в упорядоченное движение приходят и электроны, имеющиеся в спирали лампы.

Понять это поможет сравнение электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространения электрического поля — с распространением давления воды. При подъёме воды в водонапорную башню давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей водопроводной системе. Когда мы открываем кран, то вода уже находится под давлением и сразу начинает течь. Но из крана течёт та вода, которая была в нём, а вода из башни дойдёт до крана много позднее, так как движение воды происходит с меньшей скоростью, чем распространение давления.

Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.

Электрический ток в металлах

Электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.

Вопросы

Как объяснить, что в обычных условиях металл электрически нейтрален?
Что происходит с электронами металла при возникновении в нём электрического поля?
Что представляет собой электрический ток в металле?
Какую скорость имеют в виду, когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике?

Скорость распространения электрического тока

Скорость распространения электрического поля в металле близка к скорости света в вакууме, которая равна 300000 км/с. Но это не значит, что электроны внутри вещества двигаются с такой же скоростью. Для проводника с площадью поперечного сечения S = 1 мм2 при силе тока I = 1 A скорость упорядоченного движения электронов равна v = 6*10-5 м/с. То есть за одну секунду электроны в проводнике за счет упорядоченного движения проходят всего 0,06 мм.

Такие малые значения скоростей движения электронов в проводниках не приводят к запаздыванию включения электрических ламп, включения бытовых приборов и т. д., так как при подаче напряжения вдоль проводов со скоростью света распространяется электрическое поле. Эта скорость настолько велика, что позволяет приводить в движение свободные электроны практически мгновенно во всех проводниках электрической цепи.

Электрический ток в газах

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

Ионизированное состояние газа получило название плазмы

. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом

В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд

. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».

Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд .

Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!

Длякоронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Вольт-амперная характеристика металлов.

Сила тока в проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением (для резисторов). Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной. Удельное сопротивление, а следовательно, и сопротивление металлов, зависит от температуры, увеличиваясь с ее ростом. Температурная зависимость сопротивления проводника объясняется тем, что 1.возрастает интенсивность рассеивания (число столкновений) носителей 2.изменяется их концентрация при нагревании проводника. При не слишком высоких и не слишком низких температурах зависимости удельного сопротивления и сопротивления проводника от температуры выражаются формулами: ρt=ρ0(1+αt), Rt=R0(1+αt), Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению где G — проводимость.

Электрические токи в природе

Молния

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.

Скорость тока и скорость света – можно ли поставить знак равенства?

Применение свойств электрического тока в металлах

Имеет отношение к следующим отраслям:

Передача электроэнергии от источника к потребителям.
Электродвигатели.
Нагревательные приборы всех типов, предназначенных для промышленности и домашнего использования: спирали для ламп освещения, нагревательные спирали тэнов (обогреватели, чайники и т.д.).
Получение сильных магнитных полей (МРТ, электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях для ракет и генераторов).
Электроизмерительные приборы: амперметры, вольтметры, электрические счетчики и др.
В металлургии:

гальваностегия — электрохимический процесс покрытия одних металлов другими, более устойчивыми к коррозии: золочение, серебрение, никелирование и т. д. Используется также для придания изделиям декоративного вида;
гальванопластика — получение металлических копий с рельефов. Гипсовый оттиск рельефа покрывают слоем графита и погружают в электролит — раствор соли металла, который осаждается на оттиске, как на катоде. После удаления гипса получается металлическая копия рельефа;
электролитическое рафинирование позволяет очищать цветные металлы от примесей.

Свободные носители электрического заряда в металлах.

Электрический ток в металлах обуславливается упорядоченным движением свободных электронов (электронов проводимости). Положительно заряженные ионы не принимают участия в переносе заряда.

Электронную природу носителей тока в металлах объясняют таким образом:

Кристаллическая решетка металла состоит из положительных ионов, которые расположены в узлах решетки, и электронов, которые свободно передвигаются между узлами. Эти электроны — являются валентными электронами атомов металла, которое оставили свои атомы. Свободные электроны беспорядочно двигаются по кристаллу, «не помня» уже, какому атому они принадлежали. Их также называют электронным газом. Естественно, при этом сумма положительных зарядов ионов решетки равняется суммарному отрицательному заряду свободных электронов, значит, металл остается незаряженным, или электронейтральным.

Не думайте, что под действием электрического тока все электроны в проводнике направляются в одном направлении. У них просто появляется преимущественное направление движения (вдоль поля), накладывающееся на хаотическое движение в отсутствие поля.

Причем средняя скорость движения электронов составляет несколько миллиметров в секунду. Однако скорость распространения самого электрического поля — окло 3 · 10 8 м/с. С такой же скоростью распространяется электрический ток.

Здесь можно провести аналогию электрического тока с течением воды в водопроводе, а распространение электрического поля — с распространением давления воды. Вода в кране находится под давлением всего столба воды в водонапорной башне. Но из крана течет та вода, которая в нем была, а вода из башни дойдет до крана гораздо позднее, т. к. движение воды происходит с гораздо меньшей скоростью, чем распространение давления.

Существование свободных электронов в металлах доказано опытнм путем Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (качественно), Б. Стюартом и Р. Томсоном — с получением количественных результатов (1916 г.).

Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки через специальные контакты замыкались на чувствительный гальванометр. После раскручивания катушки она резко тормозилась специальным приспособлением. При этом гальванометр регистрировал кратковременный ток, направление которого указывало на отрицательный знак носителей заряда. В опыте были использованы инерционные свойства электронов: при резком торможении проводника они продолжали некоторое время двигаться (подобно пассажирам резко тормозящего вагона). Из этих опытов было определено отношение заряда к массе носителя тока, которое совпало с соответствующим значением для электрона (1,8 · 10 11 Кл/кг.)

Основы электронной теории проводимости

В начале XX века была создана классическая электронная теория проводимости металлов (П. Друде, 1900 г., Х.Лоренц, 1904 г.), которая дала простое и наглядное объяснение большинства электрических и тепловых свойств металлов.

Рассмотрим некоторые положения этой теории.

Свободные электроны

Металлический проводник состоит из:

1) положительно заряженных ионов

, колеблющихся около положения равновесия, и

2) свободных электронов

, способных перемещаться по всему объему проводника.

Таким образом, электрические свойства металлов обусловлены наличием в них свободных электронов с концентрацией порядка 1028 м–3, что примерно соответствует концентрации атомов. Эти электроны называются электронами проводимости

. Они образуются путем отрыва от атомов металлов их валентных электронов. Такие электроны не принадлежат какому-то определенному атому и способны перемещаться по всему объему тела.

В металле в отсутствие электрического поля электроны проводимости хаотически движутся и сталкиваются, чаще всего с ионами кристаллической решетки (рис. 1). Совокупность этих электронов можно приближенно рассматривать как некий электронный газ, подчиняющийся законам идеального газа. Средняя скорость теплового движения электронов при комнатной температуре составляет примерно 105 м/с.

Рис. 1

Электрический ток в металлах

Ионы кристаллической решетки металла не принимают участие в создании тока. Их перемещение при прохождении тока означало бы перенос вещества вдоль проводника, что не наблюдается. Например, в опытах Э. Рикке (1901 г.) масса и химический состав проводника не изменялся при прохождении тока в течении года.

Экспериментальное доказательство того, что ток в металлах создается свободными электронами, было дано в опытах Л.И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (1912 г., результаты не были опубликованы), а также Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 г.). Они обнаружили, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводнике катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами — электронами.

Следовательно,

электрический ток в металлах — это направленное движением свободных электронов.

Так как электрический ток в металлах образуют свободные электроны, то проводимость металлических проводников называется электронной проводимостью

Электрический ток в металлах возникает под действием внешнего электрического поля. На электроны проводимости, находящиеся в этом поле, действует электрическая сила, сообщающая им ускорение, направленное в сторону, противоположную вектору напряженности поля. В результате электроны приобретают некоторую добавочную скорость (ее называют дрейфовой

). Эта скорость возрастает до тех пор, пока электрон не столкнется с атомом кристаллической решетки металла. При таких столкновениях электроны теряют свою избыточную кинетическую энергию, передавая ее ионам. Затем электроны снова разгоняются электрическим полем, снова тормозятся ионами и т.д. Средняя скорость дрейфа электронов очень мала, около 10–4 м/с.

Скорость распространения тока и скорость дрейфа не одно и то же. Скорость распространения тока равна скорости распространения электрического поля в пространстве, т.е. 3⋅108 м/с.

При столкновении с ионами электроны проводимости передают часть кинетической энергии ионам, что приводит к увеличению энергии движения ионов кристаллической решетки, а, следовательно, и к нагреванию проводника.

Сопротивление металлов

Сопротивление металлов объясняется столкновениями электронов проводимости с ионами кристаллической решетки. При этом, очевидно, чем чаще происходят такие столкновения, т. е. чем меньше среднее время свободного пробега электрона между столкновениями τ, тем больше удельное сопротивление металла.

В свою очередь, время τ зависит от расстояния между ионами решетки, амплитуды их колебаний, характера взаимодействия электронов с ионами и скорости теплового движения электронов. С ростом температуры металла амплитуда колебаний ионов и скорость теплового движения электронов увеличиваются. Возрастает и число дефектов кристаллической решетки. Все это приводит к тому, что при увеличении температуры металла столкновения электронов с ионами будут происходить чаще, т.е. время τ уменьшается, а удельное сопротивление металла увеличивается.

См. так же

Варламов А. Как в металле протекает электрический ток? // Квант. – 1995. – № 1. – С. 37-38.
Эдельман В. Металлы. Почему металлы проводят ток? //Квант. — 1992. — № 2. — С. 6-9.

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

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

Урок 5. Какая Скорость электрического тока

содержание видео

Рейтинг: 4.0; Голоса: 1

Начинающий радиолюбитель или электронщик не всегда понимают разницу между электрическим током и скорость распространения электрического поля. Хотя, на первый взгляд, это не критично и с этим можно смириться, но чтобы заложить надежную базу для дальнейшего изучения электроники все же необходимо знать, как протекает электрический ток и его скорость. Электроны в проводнике перемещаются относительно очень медленно по сравнению со скоростью распространения изменения электрического тока в проводниках, которая равна 300000 км/с, то есть равна скорости света. Электроны приобретают упорядоченно движения за счет избытка электрического поля, поступающего вместе с новыми носителями заряда от источника питания. С каждым перемещение электрона изменяется электрическое поле, которое вовлекает в это направленное движение все новые и новые носители заряда. Электроника для начинающих
Дата: 2020-09-04

← КРУТОЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ света своими руками

Урок 6. Что такое НАПРЯЖЕНИЕ →

Похожие видео

Путешествие по настоящей России. Архангельск Русское географическое общество

• Русское географическое общество

Взлет и падение создателя ГУЛАГа Генриха Ягоды

• Загадки истории

Бенито Муссолини. Биография. Профессор Лев Белоусов — History Lab. Интервью

• Исторические фильмы

Чем Россия пыталась удивить Мир на промышленной выставке в Париже 1900 года?

• Разгадки истории

Что в происхождении своих родителей скрывал Юрий Андропов. Кто был его отец?

• Загадки истории

Топ-4 Cуперфудов, которые нужны каждому (Потрясающий эффект)

• Здоровый Образ

Комментарии и отзывы: 10

Evgeny
Я бы Вас хотел немного поправить в объяснении постепенного изменения электрического поля и вовлечения в режим движения упорядоченного электронов. Проще было бы сказать, что электрич поле моментально распространяется по всей замкнутой цепи, а так как оно практически мгновенно начинает действовать на всю цепь, то и именно по всей цепи электроны придут в движение, а не так, как Вы сообщаете тут. Вы, я считаю, просто немного не так изложили. Нам в университете именно как я написал излагал профессор. А по Вашему объяснению можно понять, что эл. поле еле-еле двигается или распространяется и постепенно на всё новых и новых захватываемых собою участках приводит в движение заряды. Это же не верно.
И вы говорите, что со скоростью 300 тыс км в сек ИЗМЕНЯЕТСЯ поле — да не изменяется оно, а РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ с такой скоростью! Распространяется по цепи.

Loki
ИМХО, нужно было упомянуть про передачу энергии от перемещения электронов по орбиталям(облакам) атомов. Так как в квантовой физики именно этот процесс и будет равнозначен течению тока. Исходя из этого и нит накала, становится яркой из-за изменения сопротивления проводника под давлением напряжения и выбиванием энергии от электронов из материала нити с превращением их в фотоны. По крайней мере так именно и происходит. Потому что проводником может выступать не только провод, газы, жидкости. В нейронах мозга все тоже самое, накопленные заряды электронов кальция, натрия, калия, передаются по цепочке от Дендрита и Аксону защищенные изоляцией (миелиновой оболочки) с усилением на пути следования. Все как в электрических сетях! И это самое удивительное и интересное. То что наш мозг и ЦНС работают аналогично ЛЭП с их трансформаторами: )

Федор
Здравствуйте. скажите пожалуйста что случилось моим мультиметров? У меня телевизор не включается, и я открыл зданию крышку и стал проверять, то есть искать неисправность резисторов, микросхем, а шнур тел. был включен, когда проверял, мультиметр был в положении прозвонки когда коснулся резистора одним щупом к минусу, а с другим щупом к плюсу, и наверно оба щупа коснулись друг другу, и на экране стала показывать возрастающее число 83 84 85, и по тихонько возрастает, попробовал вык. вкл, а оно всеровно возрастает, что это значит, испортился?

Kot
так и не рассказал что скорость электрона зависит от напряжения, жонглируешь пустыми словвами о электрическом поле которое на самом деле является не полем, а импульсом. Никакое поле там не распространяется со скоростью света, там импульс распространяет движение электронов. Закинь людям еще десяток мутных терминов, что бы все точно ничего не поняли.
Хотя всё же это один из лучших роликов поясняющих за электричество и в этом проблема.

Vano
Не правильно нарисовал. Электроны движутся по поверхности проводника. И ток не течёт в цепи со скоростью света, а много медленней. Дело в том, что когда ты на дистанции 300 000 км подключаешь провод, то с источника тока заряды перетекают на провод и когда ты подключаешь лампочку, то тут уже не роляет дистанция 300 000 км, потому что от провода до лампочки от 0 до 5 метров.

дмитрий
Вот кстати, интересно, если тут включить рубильник, то лампочка через 300000 км загорится я подозреваю не через секунду, из за индуктивности. Дроссель дает задержку видимую на глаз, если память не изменяет, а у проводника такой длинны индуктивность наверно поболее дросселя?

Иван
Позвольте вопрос. Т. е. когда замыкают контакт в той области около контакта резко растет количество электронов, а все дальнейшее происходит из-за того что эта куча электронов отталкивает другие электроны, тем другие и так далее по проводнику, верно?

Алексей
А если представить электрон в виде колобка, который бежал по полю и добежал до реки. Через реку переброшено бревно. Вот за каким чертом наш колобок полезет в середину этого бревна, чтобы перебраться через реку? Вот и мне это не понятно.

Иса
А мне вот не понятно не укладывается в голове тот факт что электрон медленный а вот поле быстрое. Ведь мы не можем нейтрализовать поле. Как узнали скорость электрона? А хорошего проводника получается много своих электронов?

Муслим
Сергей добрый вечер. У меня вопрос на рисунке, там где плюс, начало движения электронов, откуда они появляются, как пополняются, и когда они делают круг куда деваются, как это происходит. Объясните пожалуйста

Какова скорость распространения электрического тока в цепи — Строй Обзор

Содержание

Схема и особенности движения тока в проводнике
Переменный и постоянный ток – в чем разница
Скорость тока и скорость света – можно ли поставить знак равенства?

В. КРАВЧЕНКО (пос. Безенчук Самарской обл.).

Электрический ток в металле — это направленное движение электронов. Двигаться электроны заставляет электрическое поле, создаваемое источником питания. Но электрическое поле представляет собой одну компоненту поля электромагнитного и, следовательно, распространяется со скоростью света. Поэтому прибор в точке В покажет появление тока не сразу после замыкания цепи, как мы привыкли видеть, включая свет в квартире, а через час. Лампочка в точке А зажжется через два часа в полном соответствии с теорией относительности. Более того, если на пути электрического тока поставить замедляющую систему (линию задержки), можно существенно понизить скорость распространения поля, а значит, и тока. Отношение скорости волны в вакууме c к скорости ее распространения в системе v : n = c / v — называется коэффициентом замедления. Эта характеристика имеет тот же физический смысл, что и показатель преломления прозрачной среды для света.

Выбор читателей

Сосудистые заболевания мозга. Все может начаться с головной боли

Головная боль, шум и головокружение, ухудшение памяти, повышенная утомляемость, снижение работоспособности — подобные «несерьезные» симптомы могут свидетельствовать о хронической недостаточности мозгового кровообращения.

«Какого цвета платье?»

Наше цветовое восприятие зависит от того, «совы» мы или «жаворонки».

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:

Цепь замкнулась с нажатием выключателя.
Электрическое поле уменьшилось в диэлектрике конденсатора, а электроны зашли на плюсовую клемму.
Так уменьшилась разность потенциалов, а так как электроны в присоединенном участке начали движение, пустые места были заняты соседними отрицательными частицами из другого участка провода.
Это продолжается по всему проводнику, и когда электроны достигают лампочки, она начинает светиться.
Из этого следует, что измененное электрическое поле мгновенно распространилось по проводнику, а частицы – немного медленнее.

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.

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:

Является ли ток скоростью электронов?

Спросил 4 года, 7 месяцев назад

Изменено 1 год, 2 месяца назад

Просмотрено 8k раз

$\begingroup$

На этот раз мой учитель сильно меня запутал. Он сказал, что текущий скорость потока заряда . Если это так, то ток может быть скоростью потока заряда (т. е. кинетической энергией электронов). Я решил, что дело в этом, и не стал задавать ему никаких вопросов. Я думал, что все ясно, пока он не сказал, что ток одинаков во всех частях цепи. Я задал ему дополнительные вопросы, например, что происходит с током, если он проходит через двигатель или что-то в этом роде, и ответ был «9».0013 ток остается прежним, но электроны замедляются ‘. Как это вообще возможно?

электроны
электрический ток
электрическое сопротивление
скорость
проводники

$\endgroup$

$\begingroup$

В наиболее общем случае плотность тока частиц определяется как плотность частиц $n$, умноженная на среднюю скорость частицы $\vec v$ (скорость дрейфа): $$\vec j = n \cdot \vec v$$ Если частицы несут электрический заряд ($e$ для электронов), вы получаете электрическая плотность тока: $$\vec j_{el} = e \cdot \vec j = e \cdot n \cdot \vec v$$ (то же самое с массой и массовым током и т. д.).

Электрический ток, используемый в цепях, представляет собой плотность тока на основе проходимой площади: $$ I = \int \vec j_{el} \cdot d\vec A$$

Как видите, плотность электрического тока действительно подобна скорости протекания заряда , но есть еще частица плотность. Если электроны где-то замедляются, плотность тока остается неизменной, потому что плотность частиц увеличивается. Большее количество частиц с меньшей скоростью дает ту же плотность тока, что и меньшее количество частиц с большей скоростью.

Для объяснения этого я использовал плотность электрического тока, но она также действительна для самого электрического тока, если только не изменяется площадь проходного сечения (в кабеле поперечное сечение везде одинаково, также и в двигателе).

$\endgroup$

$\begingroup$

Ток в проводнике — это заряд, проходящий через поперечное сечение этого проводника в секунду.

Чтобы представить себе картину, представьте электроны, движущиеся по металлической проволоке. Представьте, что вы можете подсчитать количество электронов, проходящих через выбранное поперечное сечение в секунду, как если бы вы считали количество автомобилей, проезжающих под мостом на одной из проезжих частей дороги. {-19).}$ C) на каждом.

Таким образом, ток, $I$, совсем не то же самое, что (средняя) скорость, $v$ носителей заряда (электронов), хотя $v$ является одним из факторов, от которых зависит $I$. зависит от. На самом деле $$I=nAve$$, где $n$ — количество носителей заряда (каждого из которых заряда $e$) в единице объема проводника (площадь поперечного сечения $A$).

$\endgroup$

$\begingroup$

Ток связан со скоростью электронов, но это не скорость электронов! Ток – это количество заряда, которое проходит через площадь поперечного сечения за одну секунду. Связывать ток только со скоростью свободных электронов неправильно.

Ток определяется как $N \times A \times V \times E$ где:

N количество свободных электронов в единице объема
А площадь поперечного сечения
В скорость свободных электронов и
E — заряд электрона

Для этого уравнения нет формального вывода, потому что оно в основном является определением тока.

Представьте, что в единице объема проводника с некоторым поперечным сечением находится, скажем, 500 электронов. Через эту поверхность поперечного сечения за одну секунду проходит объем $A \times V$ и в этом объеме находится $N \times A \times V$ электронов и количество электронов, умноженное на заряд электрона, равно току, проходящему через эту поверхность отсюда и уравнение!

Теперь в последовательной цепи мы предполагаем, что в любом поперечном сечении нет накопления заряда, следовательно, в силу сохранения заряда токи во всем проводнике должны быть одинаковыми!

$\endgroup$

$\begingroup$

Думать о токе как о «скорости заряда», как вы, это хороший способ думать об этом. И правильно, что скорость одинакова во всей цепи (если есть только один путь для тока), как сказал ваш учитель.

Верно также и то, что ток через, например, двигатель замедляет зарядку или «снижает скорость».

Но дело в том, что если заряды тормозят в моторе, то и везде должны тормозить!

Просто посмотрите на анимированный gif ниже. Он представляет заряды, протекающие в цепи. Как видите, скорость везде одинакова.

Каждый раз, когда электрон выходит из батареи с одной стороны, электрон входит в батарею с другой стороны. Вот как это работает. Так что заряды не могут накапливаться где-то в цепи.

Это означает, что если вы установите двигатель в середине цепи, который замедляет заряды, заряды должны будут замедляться везде в цепи, а не только в этой точке:

$\endgroup$

$\begingroup$

Если бы ток зависел только от скорости его электронов, то ток был бы равен скорости. Но это не так, ток зависит от числа электронных частиц, проходящих через площадь поперечного сечения проводника. Это означает, что ток зависит от количества электронов, площади проводника и скорости, с которой движутся электроны. I=N.A.V. Если электроны заряжены электрически, то это называется электрическим током. I=N.A.V.e

$\endgroup$

$\begingroup$

Электрический ток определяется как изменение заряда во времени. Изменение заряда $\Delta Q$ можно выразить через общее число электронов $\Delta N$, которые текут по соотношению

$\Delta Q = e \Delta N$

с элементарным зарядом $e$ (это постоянно). Рассмотрим провод с $n$ электронами в единице объема. За промежуток времени $\Delta t$ объем, который выметут электроны при течении, равен

$\Delta V = A \Delta s = A v \Delta t$

с площадью поперечного сечения провода $A$. Также имеем $\Delta N = n \Delta V = nAv \Delta t$; следовательно, ток определяется как:

$\frac{\Delta Q}{\Delta t} = I = enAv$.

Из этого уравнения видно, что ток будет зависеть НЕ ТОЛЬКО от дрейфовой скорости электронов. Это также будет зависеть от количества электронов на единицу длины $\sigma:=nA$. Когда ток проходит через некоторые устройства (например, двигатель), через него будут протекать не только электроны; электроны будут замедляться (например, из-за столкновений с другими частицами или внешних магнитных полей, действующих на них). Однако ток останется прежним; значение $\sigma$ должно вести себя как $\sigma = \frac{I}{ev}$ при равном $I$; таким образом, это значение должно увеличиваться, если электроны замедляются.

Если в цепи имеется разветвление на 2 пути, то ток разделится следующим образом:

$I = I_1+I_2$

где нижние индексы обозначают количество, принадлежащее соответствующему пути (закон Кирхгофа).

Согласно электродинамике, общий Заряд сохраняется в замкнутой Системе. Это также означает, что входящий ток в некотором контрольном объеме должен быть равен исходящему току.

$\endgroup$

Твой ответ

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

20.1 Текущий курс физики в колледже 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Определение электрического тока, силы тока и скорости дрейфа
Опишите направление потока заряда в обычном токе.
Используйте скорость дрейфа для расчета тока и наоборот.

Электрический ток

Электрический ток определяется как скорость, с которой течет заряд. Большой ток, например, используемый для запуска двигателя грузовика, перемещает большое количество заряда за короткое время, в то время как слабый ток, например, используемый для работы ручного калькулятора, перемещает небольшое количество заряда в течение короткого времени. длительный период времени. В форме уравнения электрический ток II определяется как

I=ΔQΔt,I=ΔQΔt,

20,1

где ΔQΔQ — количество заряда, прошедшего через данную площадь за время ΔtΔt. (Как и в предыдущих главах, начальное время часто принимается равным нулю, и в этом случае Δt=tΔt=t.) (См. рис. 20.2.) Единицей силы тока в СИ является ампер (А), названный в честь французского физика Андре- Мария Ампер (1775–1836). Поскольку I=ΔQ/ΔtI=ΔQ/Δt, мы видим, что ампер равен одному кулону в секунду:

1 A = 1 Кл/с1 A = 1 Кл/с

20,2

в амперах (или амперах), как и многие электрические приборы.

Рисунок 20,2 Скорость потока заряда является текущей. Ампер — это поток в один кулон через площадь за одну секунду.

Пример 20.1

Расчет токов: ток в аккумуляторе грузовика и портативном калькуляторе

(a) Какой ток возникает, когда аккумулятор грузовика приводится в движение с зарядом 720 Кл за 4,00 с при запуске двигателя? б) Сколько времени потребуется заряду 1,00 Кл, чтобы пройти через карманный калькулятор, если через него протекает ток 0,300 мА?

Стратегия

Мы можем использовать определение тока в уравнении I=ΔQ/ΔtI=ΔQ/Δt, чтобы найти ток в части (a), поскольку заряд и время заданы. В части (b) мы меняем определение тока и используем заданные значения заряда и тока, чтобы найти требуемое время.

Решение для (a)

Ввод заданных значений заряда и времени в определение тока дает

I=ΔQΔt=720 Кл4,00 с= 180 Кл/с= 180 = 180 Кл/с = 180 А.

20,3

Обсуждение для (a)

Это большое значение тока иллюстрирует тот факт, что большой заряд перемещается за небольшой промежуток времени. Токи в этих «стартерах» довольно велики, поскольку при приведении чего-либо в движение необходимо преодолевать большие силы трения.

Решение для (b)

Решение соотношения I=ΔQ/ΔtI=ΔQ/Δt для времени ΔtΔt и ввод известных значений заряда и тока дает

Δt=ΔQI=1,00 C0,300× 10-3 C /с = 3,33 × 103 с. Δt = ΔQI = 1,00 C0,300 × 10-3 Кл/с = 3,33 × 103 с.

20.4

Обсуждение для (б)

Это время чуть меньше часа. Небольшой ток, используемый ручным калькулятором, требует гораздо больше времени для перемещения меньшего заряда, чем большой ток стартера грузовика. Так почему же мы можем работать с нашими калькуляторами всего через несколько секунд после их включения? Это потому, что калькуляторы требуют очень мало энергии. Такие малые требования к току и энергии позволяют портативным калькуляторам работать от солнечных батарей или работать много часов от небольших батарей. Помните, что в калькуляторах нет движущихся частей, как в двигателе грузовика с цилиндрами и поршнями, поэтому технология требует меньших токов.

На рис. 20.3 показана простая схема и стандартное схематическое представление батареи, проводящего пути и нагрузки (резистора). Схемы очень полезны для визуализации основных особенностей схемы. Одна схема может отображать множество ситуаций. Схема на рис. 20.3 (b), например, может представлять что угодно: от аккумулятора грузовика, подключенного к фаре, освещающей улицу перед грузовиком, до небольшой батареи, подключенной к фонарику-ручке, освещающему замочную скважину в двери. Такие схемы полезны, потому что анализ одинаков для самых разных ситуаций. Нам нужно понять несколько схем, чтобы применить концепции и анализ ко многим другим ситуациям.

Рисунок 20,3 а) Простая электрическая цепь. Замкнутый путь для протекания тока обеспечивается проводящими проводами, соединяющими нагрузку с клеммами батареи. (b) На этой схеме батарея представлена двумя параллельными красными линиями, проводники показаны прямыми линиями, а зигзаг представляет собой нагрузку. Схема представляет большое разнообразие подобных схем.

Обратите внимание, что направление тока на рис. 20.3 — от положительного к отрицательному. Направление обычного тока — это направление, в котором будет течь положительный заряд . В зависимости от ситуации могут перемещаться положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое. В металлических проводах, например, ток переносится электронами, то есть движутся отрицательные заряды. В ионных растворах, таких как соленая вода, движутся как положительные, так и отрицательные заряды. Это верно и для нервных клеток. Генератор Ван де Граафа, используемый для ядерных исследований, может производить ток чисто положительных зарядов, таких как протоны. На рис. 20.4 показано движение заряженных частиц, составляющих ток. Тот факт, что обычный ток считается направленным в сторону положительного заряда, можно проследить до американского политика и ученого Бенджамина Франклина в 1700-х годах. Он назвал тип заряда, связанного с электронами, отрицательным задолго до того, как стало известно, что они несут ток во многих ситуациях. Франклин, по сути, совершенно не знал о мелкомасштабной структуре электричества.

Важно понимать, что в проводниках, ответственных за производство тока, существует электрическое поле, как показано на рис. 20.4. В отличие от статического электричества, где проводник, находящийся в равновесии, не может иметь в себе электрического поля, проводники, по которым течет ток, имеют электрическое поле и не находятся в статическом равновесии. Электрическое поле необходимо для подачи энергии для перемещения зарядов.

Установление связей: домашнее исследование — иллюстрация электрического тока

Найдите соломинку и горошины, которые могут свободно перемещаться в соломе. Положите соломинку на стол и наполните ее горошком. Когда вы вставляете одну горошину с одного конца, другая горошина должна выскочить с другого конца. Эта демонстрация представляет собой аналогию электрического тока. Определите, что сравнивается с электронами и что сравнивается с запасом энергии. Какие еще аналогии вы можете найти для электрического тока?

Обратите внимание, что движение гороха основано на физическом столкновении горошин друг с другом; электроны текут за счет взаимно отталкивающих электростатических сил.

Рисунок 20,4 Ток II — это скорость, с которой заряд проходит через площадь AA, такую как поперечное сечение провода. Условный ток определен для движения в направлении электрического поля. (а) Положительные заряды движутся в направлении электрического поля и в том же направлении, что и обычный ток. б) Отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Обычный ток направлен в сторону, противоположную движению отрицательного заряда. Поток электронов иногда называют электронным потоком.

Пример 20,2

Расчет количества электронов, проходящих через калькулятор

Если ток 0,300 мА через калькулятор, упомянутый в примере 20.1, переносится электронами, сколько электронов в секунду проходит через него?

Стратегия

Ток, рассчитанный в предыдущем примере, был определен для потока положительного заряда. Для электронов величина та же, но знак противоположный, я электроны знак равно − 0,300 × 10 −3 С/с я электроны знак равно − 0,300 × 10 −3 С/с .Поскольку каждый электрон ( е − ) ( е − ) имеет заряд –1,60×10−19C–1,60×10–19C, мы можем преобразовать ток в кулонах в секунду в электроны в секунду.

Решение

Начиная с определения тока, мы имеем

Ielectrons=ΔQelectronsΔt=–0,300 × 10–3 Cs.Ielectrons=ΔQelectronsΔt=–0,300 × 10–3 Cs.

20,5

Разделим на заряд, приходящийся на один электрон, так что

e–s=–0,300 × 10–3 Cs×1e––1,60 × 10–19 C=1,88 × 1015e–se–s=–0,300 × 10–3 Cs × 1e––1,60 × 10–19 C=1,88 × 1015e–с.

20,6

Обсуждение

Заряженных частиц, движущихся даже в малых течениях, так много, что отдельные заряды не замечаются, как не замечаются отдельные молекулы воды в потоке воды. Еще более удивительно то, что они не всегда продолжают двигаться вперед, как солдаты на параде. Скорее они похожи на толпу людей с движением в разных направлениях, но общей тенденцией двигаться вперед. В металлической проволоке происходит множество столкновений с атомами и, конечно же, с другими электронами.

Скорость дрейфа

Известно, что электрические сигналы распространяются очень быстро. Телефонные разговоры, переносимые токами по проводам, проходят большие расстояния без заметных задержек. Свет загорается, как только щелкаешь выключателем. Большинство электрических сигналов, переносимых токами, распространяются со скоростью порядка 108 м/с108 м/с, что составляет значительную часть скорости света. Интересно, что отдельные заряды, составляющие ток, перемещаются в среднем на 90 245 намного 90 014 медленнее, обычно дрейфуя со скоростью порядка 10-4 м/с10-4 м/с. Как нам согласовать эти две скорости и что это говорит нам о стандартных проводниках?

Высокая скорость электрических сигналов обусловлена тем, что сила между зарядами быстро действует на расстоянии. Таким образом, когда свободный заряд принудительно попадает в провод, как на рис. 20.5, входящий заряд отталкивает другие заряды впереди себя, которые, в свою очередь, отталкивают заряды дальше по линии. Плотность заряда в системе нельзя легко увеличить, поэтому сигнал передается быстро. Возникающая в результате ударная волна электрического тока движется по системе почти со скоростью света. Точнее, этот быстро движущийся сигнал или ударная волна представляет собой быстро распространяющееся изменение электрического поля.

Рисунок 20,5 Когда заряженные частицы попадают в этот объем проводника, такое же количество быстро вынуждено покинуть его. Отталкивание между одноименными зарядами затрудняет увеличение количества зарядов в объеме. Таким образом, как только входит один заряд, другой почти сразу уходит, быстро перенося сигнал вперед.

Хорошие проводники имеют большое количество свободных зарядов. В металлах свободными зарядами являются свободные электроны. На рис. 20.6 показано, как свободные электроны движутся по обычному проводнику. Расстояние, которое может пройти отдельный электрон между столкновениями с атомами или другими электронами, весьма мало. Таким образом, траектории электронов кажутся почти случайными, как движение атомов в газе. Но в проводнике есть электрическое поле, которое заставляет электроны дрейфовать в указанном направлении (противоположном полю, поскольку они отрицательны). Скорость дрейфа vdvd — это средняя скорость свободных зарядов. Скорость дрейфа довольно мала, поскольку так много свободных зарядов. Если у нас есть оценка плотности свободных электронов в проводнике, мы можем рассчитать скорость дрейфа для данного тока. Чем больше плотность, тем ниже скорость, необходимая для данного тока.

Рисунок 20,6 Свободные электроны, движущиеся в проводнике, совершают много столкновений с другими электронами и атомами. Показан путь одного электрона. Средняя скорость свободных зарядов называется дрейфовой скоростью, vdvd, и она направлена в направлении, противоположном электрическому полю для электронов. Столкновения обычно передают энергию проводнику, что требует постоянной подачи энергии для поддержания постоянного тока.

Проводимость электричества и тепла

Хорошие электрические проводники часто также являются хорошими проводниками тепла. Это связано с тем, что большое количество свободных электронов может переносить электрический ток и переносить тепловую энергию.

Столкновения свободных электронов передают энергию атомам проводника. Электрическое поле выполняет работу по перемещению электронов на расстояние, но эта работа не увеличивает кинетическую энергию (и, следовательно, скорость) электронов. Работа передается атомам проводника, возможно повышая температуру. Таким образом, для поддержания протекания тока требуется непрерывная потребляемая мощность. Исключение, конечно, составляют сверхпроводники по причинам, которые мы рассмотрим в одной из последующих глав. Сверхпроводники могут иметь постоянный ток без постоянного источника энергии — большая экономия энергии. Напротив, подача энергии может быть полезной, например, в нити накала лампочки. Подача энергии необходима для повышения температуры вольфрамовой нити, чтобы нить накала светилась.

Установление связей: домашнее исследование — наблюдения за филаментами

Найдите лампочку с нитью накаливания. Посмотрите внимательно на нить и опишите ее строение. К каким точкам присоединяется нить?

Мы можем получить выражение для зависимости между током и скоростью дрейфа, рассмотрев количество свободных зарядов в отрезке провода, как показано на рис. 20.7. Количество свободных зарядов на единицу объема обозначается символом nn и зависит от материала. Заштрихованный отрезок имеет объем AxAx, так что количество свободных зарядов в нем равно nAxnAx. Таким образом, заряд ΔQΔQ в этом сегменте равен qnAxqnAx, где qq — количество заряда на каждом носителе. (Напомним, что для электронов qq равно −1,60×10−19C−1,60×10−19C.) Ток — это заряд, перемещаемый в единицу времени; таким образом, если все первоначальные заряды выходят из этого сегмента за время ΔtΔt, ток равен

I=ΔQΔt=qnAxΔt.I=ΔQΔt=qnAxΔt.

20,7

Обратите внимание, что x/Δtx/Δt — величина скорости дрейфа, vdvd, поскольку заряды перемещаются на среднее расстояние xx за время ΔtΔt. Перестановка слагаемых дает

I=nqAvd,I=nqAvd,

20,8

где II — ток через провод с сечением AA, изготовленный из материала с плотностью свободного заряда nn. Каждый из носителей тока имеет заряд qq и движется с дрейфовой скоростью величины vdvd.

Рисунок 20,7 Все заряды в заштрихованном объеме этой проволоки удаляются за время tt, имея дрейфовую скорость величины vd=x/tvd=x/t. См. текст для дальнейшего обсуждения.

Обратите внимание, что простая скорость дрейфа — это еще не все. Скорость электрона намного больше скорости его дрейфа. Кроме того, не все электроны в проводнике могут двигаться свободно, а те, которые могут двигаться, могут двигаться несколько быстрее или медленнее скорости дрейфа. Так что же мы подразумеваем под свободными электронами? Атомы в металлическом проводнике упакованы в виде решетчатой структуры. Некоторые электроны находятся достаточно далеко от ядер атомов, поэтому они не испытывают притяжения ядер так сильно, как внутренние электроны. Это свободные электроны. Они не связаны ни с одним атомом, а вместо этого могут свободно перемещаться среди атомов в «море» электронов. Эти свободные электроны реагируют ускорением при приложении электрического поля. Конечно, когда они движутся, они сталкиваются с атомами в решетке и другими электронами, выделяя тепловую энергию, и проводник нагревается. В изоляторе организация атомов и структура не допускают таких свободных электронов.

Пример 20,3

Расчет дрейфовой скорости в общем проводе

Рассчитать дрейфовую скорость электронов в медном проводе 12-го калибра (диаметром 2,053 мм), по которому течет ток силой 20,0 А, учитывая, что на атом меди приходится один свободный электрон. . (Бытовая электропроводка часто содержит медный провод 12-го калибра, и максимально допустимый ток в таком проводе обычно составляет 20 А.) Плотность меди составляет 8,80×103 кг/м38,80×103 кг/м3.

Стратегия

Мы можем рассчитать скорость дрейфа, используя уравнение I=nqAvdI=nqAvd. Электрический ток I=20,0 AI=20,0 А дается, и q=–1,60×10–19Cq=–1,60×10–19°С есть заряд электрона. Мы можем вычислить площадь поперечного сечения провода по формуле А=πr2,A=πr2, где rr составляет половину заданного диаметра, 2,053 мм. Нам дана плотность меди, 8,80×103 кг/м3, 8,80×103 кг/м3, а периодическая таблица показывает, что атомная масса меди составляет 63,54 г/моль. Мы можем использовать эти две величины вместе с числом Авогадро, 6,02×1023 атомов/моль, 6,02×1023 атомов/моль, чтобы определить n,n, число свободных электронов на кубический метр.

Решение

Сначала рассчитайте плотность свободных электронов в меди. На один атом меди приходится один свободный электрон. Следовательно, это то же самое, что и количество атомов меди на м3м3. Теперь мы можем найти nn следующим образом:

н знак равно 1 е − атом × 6 . 02 × 10 23 атомы моль × 1 моль 63 . 54 г × 1000 г кг × 8,80 × 10 3 кг 1 м 3 знак равно 8 . 342 × 10 28 е − /м 3 . н знак равно 1 е − атом × 6 . 02 × 10 23 атомы моль × 1 моль 63 . 54 г × 1000 г кг × 8,80 × 10 3 кг 1 м 3 знак равно 8 . 342 × 10 28 е − /м 3 .

20,9

Площадь поперечного сечения провода

А знак равно π р 2 знак равно π 2,053 × 10 −3 м 2 2 знак равно 3.310 × 10 –6 м 2 . А знак равно π р 2 знак равно π 2,053 × 10 −3 м 2 2 знак равно 3.310 × 10 –6 м 2 .

20.10

Перестановка I=nqAvdI=nqAvd для выделения скорости дрейфа дает

в д знак равно я нкА знак равно 20,0 А ( 8 . 342 × 10 28 /м 3 ) ( –1 . 60 × 10 –19С ) ( 3 . 310 × 10 –6 м 2 ) знак равно –4 . 53 × 10 –4 РС. в д знак равно я нкА знак равно 20,0 А ( 8 . 342 × 10 28 /м 3 ) ( –1 . 60 × 10 –19С ) ( 3 . 310 × 10 –6 м 2 ) знак равно –4 . 53 × 10 –4 РС.

20.11

Обсуждение

Знак минус указывает на то, что отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном обычному току. Небольшое значение скорости дрейфа (порядка 10-4м/с10-4м/с) подтверждает, что сигнал движется порядка 10121012 раз быстрее (около 108м/с108м/с), чем несущие его заряды.

Медь и электричество. Скорость дрейфа.

стр. 6

Скорость дрейфа

	Скорость дрейфа и ток

gif»>

Рисунок 2.6 Все электроны в цилиндре объемом В = A v t протекают мимо точки за время t.

С какой скоростью должны двигаться свободные электроны в проводе, чтобы производить приличный ток?

«Ток» означает скорость, с которой электрический заряд проходит через точку в цепи. Представьте, что вы стоите в точке X с секундомером и отсчитываете протекающий заряд. (Надо представить, что все электроны движутся с одинаковой скоростью, v.) Посмотрим, что произойдет с электроном, выделенным красным.

Предположим, вы запускаете свои часы и даете им поработать какое-то время, t. Выделенный электрон электрон пройдет некоторое расстояние. На самом деле, за время t все электроны в цилиндре длины пролетели мимо вас.

Так какой ток потек? Нам нужно выяснить, сколько зарядов прошло точку А.
Начнем с того, что подумаем об объеме цилиндра.

Объем цилиндра = A ×		где А — площадь поперечного сечения провода

	Если концентрация электронов в металле n на кубический метр, то:
Количество электронов в цилиндре = n × A ×

	Если каждый электрон несет заряд Q, то:
Заряд, переносимый электронами в цилиндре = n × A × × Q

	Но длина цилиндра v * t	, где v — скорость дрейфа, а t — время, которое мы использовали.
	Итак:
Заряд, переносимый электронами в цилиндре = n × A × v × t × Q

	Это количество заряда, которое проходит через точку A за время t. Чтобы найти ток, который это представляет, нам нужно найти скорость, с которой протекал заряд. Итак, делим на время t.
Ток = заряд / время = n × A × v × t × Q / t = n A v Q

	Таким образом, электрический ток I, протекающий по проводу, равен
		где n — количество электронов на кубический метр А — площадь поперечного сечения провода v — дрейфовая скорость электронов Q — заряд электрона

gif»>


	Удельное сопротивление и плотность заряда

		Материал с большим количеством свободных электронов (высокое значение n) может легче проводить ток, чем материал с меньшей плотностью заряда. Чтобы нести заданный ток, электронам не нужно двигаться очень быстро, потому что их очень много, чтобы нести заряд. Это означает, что они редко сталкиваются с атомами или примесями в металле, и поэтому он является хорошим проводником. Полупроводники — это материалы с небольшим количеством свободных электронов — возможно, одной миллионной концентрации меди. Таким образом, свободные электроны в полупроводниках должны иметь гораздо более высокие скорости дрейфа, чтобы нести такой же ток. Их скорость должна компенсировать меньшее количество движущегося заряда. Поэтому они гораздо чаще сталкиваются с атомами. Удельное сопротивление полупроводника обычно в миллион раз больше, чем у меди.


	С какой скоростью дрейфуют электроны?

		Мы можем получить представление о том, насколько велика скорость дрейфа, взяв некоторые типичные значения тока и размеров проволоки. Представим себе ток силой 5 А, протекающий по медному проводу сечением 0,5 мм ² (= 0,5 * 10 ^-6 м ² ) Для меди, n = 8,5 × 10 ²⁸ на м ³ Заряд электрона, Q = 1,6 × 10 ^-19 C Итак, I = n A v Q 5 = 8,5 × 10 ²⁸ × 0,5 × 10 ^-6 × v × 1,6 × 10 ^-19 5 = 27 200 v v = 7,35 × 10 ^-4 м с ^-1 Итак, для этого тока дрейфовая скорость электронов составляет около одной десятой миллиметра в секунду: довольно медленно!

gif»>

Ток и сопротивление

Воздух, как правило, плохой проводник, но при достаточно высокой разности потенциалов электричество может проходить через воздух.

Электрический ток заставляет светиться нить накаливания лампочки.

Течение воды — это просто количество воды, проходящей через нее в секунду. Электрический ток подобен; в данном случае это поток электрических зарядов, измеряемый в колумбах в секунду.

Один ампер определяется как 1 кулон заряда в секунду.

Один кулон равен заряду примерно 6,25 миллиарда миллиардов электронов. (Нет, это не опечатка…)

Пример вопроса

С какой скоростью движутся эти электроны? В типичном бытовом токе:

A. со скоростью света

B. со скоростью сверхзвукового самолета

C.

со скоростью гоночного автомобиля

D. так быстро, как может бежать человек

E. так быстро, как ползает улитка

Скорость дрейфа

Электромагнитный сигнал движется со скоростью света, но электроны движутся гораздо медленнее. Мы определяем дрейфовую скорость как скорость, с которой электроны движутся по проводу.

На этой диаграмме изображены электроны, движущиеся по проводу с поперечным сечением A за промежуток времени от t до t + Δt.

Электроны испытывают столкновения и имеют некоторое хаотическое движение, но движутся как группа со скоростью дрейфа v _d .

Мы определяем электронный ток как количество электронов, проходящих за время поперечное сечение.

Электронный ток можно также записать в единицах плотности (электронов на объем) и скорости дрейфа.

Вспомним нашу модель проводника как решетки атомов, ядер с электронными оболочками.

Эти атомы являются ионами, поскольку валентные электроны могут свободно перемещаться внутри решетки. Разность потенциалов батареи или заряженного конденсатора приводит к неравномерному распределению заряда. Когда цепь замыкается, электроны имеют возможность течь и двигаться через решетку.

Двигаясь через решетку, электроны сталкиваются с ионами металла. Валентные электроны могут свободно перемещаться внутри решетки. Мы можем смоделировать столкновение, используя эту симуляцию PHeT.

Электрическое поле создает силу, действующую на электроны, которая ускоряет их между столкновениями. Напомним, что электрическую силу можно определить как F = qE. Здесь мы определяем заряд электрона как e, чтобы записать F = eE.

Мы можем использовать кинематику, чтобы написать уравнение движения электронов при ускорении, обеспечиваемом электрическим полем.

Средняя скорость равна скорости дрейфа. Время между столкновениями определяется как τ.

Мы можем использовать подстановку, чтобы записать электронный ток через скорость дрейфа и τ.

Мы можем связать наш электронный ток с током I. Общий заряд N

_e электрон это всего лишь заряд электрона, умноженное на число электронов.

Ток электронов i _e – скорость электронов, протекающих по проводу.

Ток I — это скорость заряда, протекающего по проводу.

Направление тока (неверно) определяется как направление потока положительных зарядов.

Направление определил Бенджамин Франклин, который предположил, что поток был вызван избытком (+) одного вида заряда по отношению к дефициту (-) заряда. Эта идея была в основном верной, но когда позже были обнаружены электроны, которым приписали отрицательный заряд, соглашение о знаках было признано неправильным, но сохранено по историческим причинам.

Пример задачи

Рассмотрим эту простую схему с заряженным конденсатором и двумя одинаковыми лампочками. Когда переключатель замкнут, электроны будут течь по проводу. Какая лампочка ярче?

A. лампочка A

B. лампочка B

C. они будут одинаково яркими

Экономия электрического тока

Электроны, протекающие по проводнику, подчиняются законам сохранения. Электроны не могут быть созданы или уничтожены, когда они проходят по проводу. или компонент электрической цепи, такой как лампочка или резистор. Каждый электрон несет свой фундаментальный заряд, поэтому количество протекающего заряда также сохраняется.

Энергия, переносимая электронами, расходуется при их прохождении через нить накаливания лампочки. Часть энергии, переданной электронам батареей или другим источником питания, преобразуется в тепловую энергию. Ток не израсходован. Скорость потока электронов в нить накаливания лампочки такая же, как скорость потока электронов из лампочки. Ток постоянен везде в цепи, пока в ней нет соединений.

Ток в переходе равен току на выходе.

Faster-than-light electric currents could explain pulsars

Share on Facebook
Share on Twitter
Share on Reddit
Share on LinkedIn
Share via Email
Версия для печати

Утверждение, что что-то может двигаться быстрее света, является хорошим поводом для обсуждения в физике. Люди отдаляются от вас на коктейльных вечеринках; друзья никогда не перезванивают. Вы только не связывайтесь с Альбертом Эйнштейном. Поэтому, когда я увидел пресс-конференцию на собрании Американского астрономического общества в январе этого года, посвященную сверхсветовым явлениям в космосе, моей первой реакцией было сказать: «Ужасно сожалею, но мне действительно пора идти». Астрофизики говорили о сверхсветовом движении в течение многих лет, но это всегда была всего лишь игра света, которая создавала впечатление варп-скорости, технического характера волнового движения или экзотического следствия расширения Вселенной. Эти исследователи заявляли о совершенно другом виде уловки. Хотя я и сомневался, я положил их пресс-релиз в свою папку «нужно больше подумать» и сегодня, наконец, нашел время, чтобы взглянуть поближе. И то, что я нашел, совершенно завораживает.

Исследователи Джон Синглтон и Андреа Шмидт из Лос-Аламоса и их коллеги построили своего рода провод, в котором электрический импульс может опережать скорость света. Им это сходит с рук, потому что пульс не является причинным процессом. Он не распространяется вниз по линии, потому что заряженные частицы сталкиваются друг с другом, а этот процесс подчиняется эйнштейновскому ограничению скорости. Вместо этого внешний контроллер управляет частицами и может синхронизировать их, чтобы заставить импульс проходить по проводу с любой скоростью, которую вы хотите. Частицы похожи на костяшки домино, выстроенные в ряд. Причинный процесс — это обычный эффект домино, при котором каждая костяшка домино сбивает следующую; костяшки домино движутся со своей скоростью, определяемой их размером и расстоянием между ними. Акаузальный процесс — это если вы сбили рукой все костяшки домино; костяшки домино двигаются так быстро, как вы можете их заставить. На фото выше показана ранняя версия устройства; провод — белая дуга справа, а контроллеры — печатные платы слева.

Такой способ преодоления барьера скорости может показаться обманом — ведь ни один материальный объект не преодолевает барьер. Но электромагнитно это не имеет значения. Каково бы ни было происхождение импульса в проводе, он связан с движением электрического заряда и испусканием электромагнитного излучения. Излучение распространяется наружу со скоростью света, но всегда определяется скоростью того, что его породило. Когда Синглтон, Шмидт и остальная часть их команды генерируют импульсы медленнее скорости света, используя свою технику, результирующее излучение выглядит точно так же, как излучение, создаваемое обычными каузальными импульсами. Для импульсов со скоростью, превышающей скорость света, излучение выглядит точно так же, как излучение, которое было бы создано, если бы заряженные частицы действительно могли превышать скорость света.

То есть выглядит довольно странно. Мало того, что излучение плотно сфокусировано в пространстве, оно плотно сфокусировано в времени — импульс, для генерации которого первоначально требуется, скажем, 10 секунд, может быть сжат до 1 миллисекунды, поскольку все электромагнитные волновые фронты сливаются вместе. Временная фокусировка заставляет излучение распространяться по широкой полосе электромагнитного спектра. Кроме того, фокусировка обеспечивает степень усиления, в результате чего интенсивность излучения уменьшается не пропорционально квадрату расстояния, а обратно пропорционально расстоянию.

Эта фокусировка может быть очень полезна для передачи радиоволн с минимальной мощностью, но основной интерес Синглтона и Шмидта заключается в применении этой идеи к астрофизике, в частности, к пульсарам. Астрофизики считают, что эти объекты представляют собой гиперплотные нейтронные звезды, которые генерируют радиоимпульсы при вращении, подобно маяку. Но они изо всех сил пытались объяснить, почему радиоимпульсы такие резкие и почему они появляются в таком широком диапазоне спектра. Синглтон и Шмидт, опираясь на работы XIX в.80-х годов Хоушанга Ардавана из Кембриджского университета, утверждают, что эти свойства являются естественным следствием сверхсветовых электрических токов, управляемых магнитным полем нейтронной звезды. По простым геометрическим причинам за пределами определенного расстояния от звезды магнитное поле распространяется через атмосферу со скоростью, превышающей скорость света.

Теперь исследователи применяют свою модель к другой загадке астрофизики, гамма-всплескам. Астрофизики обычно оценивают внутреннюю мощность, генерируемую этими всплесками, исходя из закона обратных квадратов, и получаемые ими значения зашкаливают. Но если задействованы сверхсветовые эффекты, закон обратных квадратов может переоценивать мощность, и астрономам действительно следует использовать простой обратный закон.

Синглтон говорит, что основной принцип сверхсветовых токов восходит к работам английского физика Оливера Хевисайда и немецкого физика Арнольда Зоммерфельдта в 1890-х годах, но был забыт, потому что теории Эйнштейна отговорили физиков думать о сверхсветовых явлениях, даже тех, которые уклонялись от строгости этих теорий. . Я только что затронул эту захватывающую физику и рекомендую вам прочитать статьи команды, начиная с этой. «Люди просто не думают о вещах, движущихся быстрее скорости света», — говорит Синглтон. «Это совершенно широкое открытое и неизведанное поле».

Фото любезно предоставлено Андреа Шмидт, Джоном Синглтоном и коллегами

Высказанные мнения принадлежат авторам и не обязательно совпадают с мнением Scientific American.

ОБ АВТОРЕ(АХ)

Джордж Массер — пишущий редактор журнала Scientific American и автор книг Жуткое действие на расстоянии (Farrar, Straus and Giroux, 2015) и The Complete Guide to Idiot. Теория струн (Альфа, 2008 г.). Подписывайтесь на Джорджа Массера в Твиттере. Автор фото: Ник Хиггинс.

Вода

SCOTUS слушает дело с широкими последствиями для Закона о чистой воде

Стихийные бедствия

Ян Синкс Флорида «Дом-купол», построенный, чтобы выжить во время ураганов

Палеонтология

Изменение климата

Как прекращение лесных пожаров на Аляске может замедлить изменение климата

Математика

Можно ли доказать существование Бога математически?

Квантовая физика

Исследователи квантовой запутанности получили Нобелевскую премию по физике 2022 года

Скорость электричества — как обсудить

Скорость электричества

С какой скоростью движется электричество? Электричество — это поток энергии или электрический заряд. Электричество распространяется со скоростью света более 300 000 километров в секунду. Электричество, которое они используют дома, поступает из первичных источников, таких как нефть, атомная энергия, уголь, природный газ, солнце или другие природные источники. Вода и ветер являются другими источниками энергии, известными как механическая энергия.

С какой скоростью электричество распространяется по проводам?

Ответ 3: Свет распространяется через пустое пространство со скоростью 300 000 километров в секунду. Ток, протекающий по проводам в ваших домах и приборах, движется намного медленнее, всего около 1/100 скорости света.

Движется ли электричество со скоростью света?

В бытовых электрических и электронных устройствах сигналы распространяются в виде электромагнитных волн, обычно со скоростью 50-99% скорости света, в то время как сами электроны движутся гораздо медленнее.

С какой скоростью движутся электроны?

Расчеты показывают, что электрон движется со скоростью около 2200 километров в секунду. Это меньше 1% скорости света, но этого достаточно, чтобы облететь Землю всего за 18 секунд.

Электроэнергия распространяется быстрее по воздуху или по воде?

Вы молоды, чтобы задуматься над этим вопросом, но реальный ответ заключается в том, что электричество движется быстрее в теплой воде, чем в холодной, и в бурной воде, чем в стоячей, но количество соли или хлора мало влияет на вашу скорость. ток, который течет по воде.

С какой скоростью электричество распространяется по проводнику?

Электрическое поле, приложенное к проводнику, составляет В/м. Средняя скорость движения свободных электронов составляет всего м в секунду или м в час, и их путь намного медленнее, чем у черепахи.

Электричество распространяется быстрее через холодные или горячие материалы?

Быстрее движется по холодным материалам. На самом деле скорость электричества значительно возрастает, если цепи можно переохладить почти до абсолютного нуля. Компьютеры могут достигать более высоких скоростей обработки за счет охлаждения ядра процессора.

Какова дрейфовая скорость электрона?

Фактическая скорость дрейфа этих электронов через проводник в направлении тока очень мала. Например, скорость движения по медному проводу сечением х 106 м 2 при силе тока 10 А составляет примерно х 104 м/с, или примерно четверть миллиметра в секунду.

Движется ли электричество со скоростью света в метрах

Электрическая энергия распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью света, которая составляет 3 * 108 метров в секунду. Скорость электричества довольно высока, хотя электроны движутся довольно медленно. Электрическое поле создает силу, которая заставляет эти электроны медленно отклоняться.

Хотя они не могут сказать вам, как быстро может летать Супермен, они могут подтвердить, что электромагнитные волны электричества распространяются почти со скоростью света, которая составляет 670 616 629 миль в час. Как это быстро. Это действительно здорово.

Сколько миль в секунду проходит электричество?

Все электромагнитное излучение, включая свет, радиопередачи и электричество, проходит вокруг экватора более семи раз в секунду со скоростью около 300 000 километров в секунду. Примечательно, что скорость 299 792 458 метров в секунду в вакууме.

С какой скоростью может двигаться электричество за одну секунду?

Эта энергия распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью света, которая составляет 670 616 629 миль в час, 1 или 300 миллионов метров в час. Однако электроны в самой волне движутся медленнее. Эта концепция известна как скорость дрейфа. Какова скорость электронов в электричестве? Электроны имеют отрицательный заряд.

С какой скоростью движется электричество ночью

Эта энергия распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью света, которая составляет 670 616 629 миль в час, 1 или 300 миллионов метров в час. Однако электроны в самой волне движутся медленнее. Эта концепция известна как скорость дрейфа.

Сколько миллиметров в секунду проходит электричество?

Как упоминалось ранее, скорость электрического тока сама по себе равна скорости света, но настоящие электроны в этой волне могут двигаться только на несколько миллиметров в секунду.

С какой средней скоростью движутся электроны в проводнике?

Скорость дрейфа, средняя скорость, с которой электроны движутся в проводнике под действием электрического поля, составляет около 1 мм в секунду. Это электромагнитная волна, которая проходит через электроны со скоростью, близкой к скорости света.

Как скорость электричества связана со скоростью дрейфа?

Эта энергия распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью, близкой к скорости света, которая составляет 670 616 629миль в час, 1 или 300 миллионов метров в час. Однако электроны в самой волне движутся медленнее. Эта концепция известна как скорость дрейфа. Какова скорость электронов в электричестве?

С какой скоростью движется электричество в точке

Электрическая энергия распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью света, которая составляет 3 * 108 метров в секунду. Скорость электричества довольно высока, хотя электроны движутся довольно медленно.

С какой скоростью движется электричество при том же

Ответ 1: Электричество и свет являются формами ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ЭР), и все ЭР движутся с одинаковой скоростью 300 000 км/сек. Сколько миль в секунду составляет 300 000 км/с? Все рентгеновские снимки имеют форму RE, и все они движутся. со скоростью света Ответ 2:.

С какой скоростью движется электричество при разных

В переменном токе электроны медленно движутся в одном направлении в течение нескольких секунд, а затем в течение нескольких секунд движутся в противоположном направлении. Поскольку электроны движутся медленно, вы можете задаться вопросом, как быстро движется электричество. Электрическая энергия распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью света, которая составляет 3 * 108 метров в секунду.

С какой скоростью на самом деле движутся электроны в проводе?

Электроны должны пройти через миллиарды атомов в проводе, что занимает много времени. В случае медного провода 12-го калибра, несущего 10 ампер (типичный для бытовых проводов), отдельные электроны перемещаются только примерно на дюйм в секунду или дюйм в минуту (известный в науке как скорость дрейфа электронов).

Как электричество течет по проводу?

То, как течет ток, зависит от того, что исследуется. Электроны фактически мигрируют по проводу от отрицательной клеммы батареи к положительной клемме, электроны заряжены отрицательно. Положительные заряды кажутся движущимися в другом направлении, но на самом деле они остаются неподвижными вместе со своими атомами.

Как электричество проходит через дом?

Электричество подключено к вашему дому, где оно проходит через счетчик, который измеряет количество потребляемой вами электроэнергии. В конце концов, электричество течет по проводам в ваших стенах к розеткам и выключателям в вашем доме, чтобы питать ваши приборы. Энергия нагревает провода в лампе и заставляет светиться газ в лампе.

Всегда ли электрон движется со скоростью света?

Электрон не может выиграть гонку в вакууме, не говоря уже о лестнице. Электрон не может двигаться со скоростью света по простой причине своей массы. Свет — самый быстрый во Вселенной, потому что без массы он не несет багажа и не имеет абсолютно никакой инерции, препятствующей его движению.

Становится ли Материя энергией со скоростью света?

Причина этого в том, что когда кусок грецкого ореха или другой кусок материи преобразуется в чистую энергию, полученная энергия по определению движется со скоростью света. Чистая энергия — это электромагнитное излучение, будь то свет, рентгеновские лучи или что-то еще, а электромагнитное излучение распространяется с постоянной скоростью 300 000 км/с (186 000 миль/с).

Электронный сигнал распространяется со скоростью света?

Слово электричество обычно относится к движению электронов через проводник в присутствии разности потенциалов или электрического поля. Скорость этого потока имеет несколько значений. В электрических и электронных бытовых приборах сигналы в виде электромагнитных волн обычно распространяются со скоростью 50-9°.9% скорости света, а электроны намного медленнее.

С какой скоростью движется электрон относительно скорости света?

Расчеты показывают, что электрон движется со скоростью около 2200 километров в секунду. Это меньше 1% скорости света, но этого достаточно, чтобы облететь Землю всего за 18 секунд. Узнайте, что происходит, когда ничто не может двигаться быстрее света.

Движется ли электричество со скоростью света

В электрических и электронных бытовых приборах сигналы распространяются в виде электромагнитных волн, обычно между 50 и 99% скорости света, а сами электроны движутся гораздо медленнее.

Почему свет не движется со скоростью света?

Во-вторых, даже свет замедляется в объеме, он движется только c в вакууме. Медь или другие проводники даже плотнее воздуха (который замедляет свет), поэтому электроны определенно не могут перемещаться по объему проводника со скоростью света.

Как скорость света влияет на электромагнитные волны?

В бытовых электрических и электронных устройствах сигналы или энергия в виде электромагнитных волн обычно проходят от 50% до 99% скорости света, при этом электроны движутся (дрейфуют) гораздо медленнее.

Движется ли электричество со скоростью света в воздухе

Ничто не может двигаться со скоростью света. Во-вторых, даже свет замедляется в объеме, он движется только в вакууме. Медь или другие проводники даже плотнее воздуха (который замедляет свет), поэтому электроны определенно не могут перемещаться по объему проводника со скоростью света.

Nikon скорость света

Скорость зависит от самой камеры, но обычно находится между 1/160 и 1/250. Вы не увидите ни светлых, ни черных полос на нижней стороне рамы. HSS был введен для преодоления этого ограничения.

Какая вспышка лучше всего подходит для цифровой зеркальной фотокамеры Nikon?

На сегодняшний день лучшей вспышкой для цифровых зеркальных камер Nikon является SB5000. Эта высококачественная внешняя вспышка полностью оборудована и считается профессионалами высококачественной вспышкой от Nikon.

Какая вспышка лучше для Canon?

Названная Canon лучшей вспышкой Speedlite для цифровых зеркальных фотокамер Canon, APUNV1 Altura Photo оправдывает все ожидания, когда речь идет о фотографии. Он поставляется с пультом дистанционного управления для удобства эксплуатации. Эта вспышка дает вам множество фотографических возможностей по доступной цене.

Что такое Никон ТТЛ?

TTL расшифровывается как Flash Through The Lens. С замером TTL вы можете использовать внешнюю вспышку без дополнительных кабелей и хлопот. Большинство камер Nikon можно подключить по беспроводной сети и начать щелкать, не теряя времени.

Как электроны движутся так быстро в электрической цепи?

Электроны в электрическом проводе движутся очень медленно. Настолько медленно, что имеет смысл измерять скорость в миллиметрах в час. Это почти как мед, стекающий по склону в 2 градуса. Однако электричество может двигаться так быстро, потому что электрический провод похож на трубку, заполненную шариками (шарики — это электроны).

С какой скоростью электроны движутся по проводу?

Скорость дрейфа, при которой постоянный поток множества электронов течет вперед по проводу (например, подключенному к батарее), составляет менее 1/3 миллиметра в секунду. Скорость, с которой электрон «вращается» вокруг центра атома, варьируется, но составляет (по порядку величины) около 1/100 скорости света.

Что будет, если скорость электрона уменьшится?

Если вы посмотрите на уравнение, длина волны электрона увеличивается по мере уменьшения скорости электрона. Длины волн больших повседневных объектов с гораздо большей массой должны быть очень короткими. Если бы вы рассчитали длину волны килограммового бейсбольного мяча, брошенного со скоростью 40 м/с, вы бы получили чрезвычайно короткую длину волны порядка от 10 до 34 м.

С какой скоростью электрон движется вокруг ядра атома?

Это эквивалентно примерно 7 триллионам оборотов в секунду или 7 миллиардам оборотов в секунду. Это невероятно быстро, но намного медленнее, чем скорость вращающихся ядер. При такой скорости вращения они могут наблюдать только динамический аспект электрона на его орбите. Динамический аспект — это бычий аспект.

Как быстро электрон движется внутри атома

Вам может быть интересно, как быстро электроны вращаются вокруг атомов вокруг вас. Хороший пример (и самый простой для расчета) — атом водорода, который есть во всей вашей воде. Расчеты показывают, что электрон движется со скоростью около 2200 километров в секунду.

С какой скоростью движется электрон в ЭЛТ

Погуглив, я узнал, что катодное напряжение ЭЛТ-телевизора составляет 400 В. Таким образом, ускоренный электрон приобретает энергию 400 эВ. Скорость электрона с энергией 400 эВ составляет *10-7 м/с или ~4% скорости света.

Куда уходит большая часть тока в ЭЛТ?

Большая часть тока пучка в конечном итоге проходит через анод. Это происходит из-за вторичной эмиссии (когда электронный луч заставляет молекулу фосфора испускать электрон на анод) и проводимости. Внутренняя часть стандартных (не хранящих) ЭЛТ покрыта тонким слоем металла (обычно алюминия) для увеличения проводимости.

Как рассчитать скорость электрона?

Однако вы можете рассчитать скорость v v, которую будет иметь электрон в модели Бора. Центростремительная сила равна F Z = m⋅v2 r F Z = m ⋅ v 2 r Эта сила отталкивает электрон от ядра. Кулоновская сила равна F C = e2 4πε0r2 F C = e 2 4 ε r 2, где ε0 ≈ ⋅ 10–12 Fm ε ≈ ⋅ 10–12 Fm — диэлектрическая проницаемость.

Как ускоряются электроны в электронно-лучевой трубке?

В электронно-лучевой трубке электроны выбрасываются из катода и ускоряются под действием напряжения, приобретая скорость около 600 км/с на каждый ускоряемый вольт. Некоторые из этих быстрых электронов сталкиваются с газом в трубке и заставляют его светиться, поэтому они могут видеть траекторию луча.

Какова скорость электронов в медной проволоке?

На самом деле скорость электронов в типичном медном проводе примерно в 10 миллиардов раз меньше скорости сигнала. Нетрудно оценить скорость электрона в медной проволоке. Например, предположим, что у вас есть круглый провод 18 калибра диаметром 1 мм и номинальным током 1 ампер.

Как электричество проходит по медному проводу?

Электричество, протекающее по медным проводам в вашем доме, состоит из движущихся электронов. Протоны и нейтроны в атомах меди не движутся. Фактическое движение отдельных электронов в определенном направлении по проводу происходит довольно медленно.

Сколько времени требуется для перемещения медного провода 12 калибра?

Электроны должны пройти через миллиарды атомов в проводе, что занимает много времени. В случае медного провода 12-го калибра с номинальным током 10 ампер (характерно для бытовых проводов) отдельные электроны перемещаются всего на 1 см в секунду, или 1.

Какова скорость электричества

Скорость электричества понимается скорость распространения электромагнитного сигнала по проводу, что чем-то похоже на понятие скорости света в прозрачной среде. Поэтому она обычно меньше, но ненамного меньше скорости света в вакууме. Скорость также зависит от конструкции кабеля.

Какова скорость электричества в милях в час?

Скорость электричества до сих пор считается самой высокой скоростью в мире. На самом деле скорость света или электричества составляет 300 000 километров в секунду.

Что лучше всего описывает поток электричества?

Электричество — это поток мелких частиц, называемых электронами, которые могут перемещаться по проводам. Этот ток часто называют электрическим током. Подобно воде, которая может спускаться только с холма, электрический ток может течь только при активации.

Что заставляет электроны двигаться?

Сила, которая перемещает электроны в цепи, известна как электродвижущая сила или ЭДС. Иногда полезно думать об электромагнитных полях как об электрическом давлении. Другими словами, это сила, которая перемещает электроны в определенном направлении внутри проводника.

Скорость распространения электричества

Волны, излучаемые электронами, распространяются в вакууме со скоростью 300 миллионов метров в секунду, но в проводнике они будут двигаться только с той скоростью, которую позволяет структура или геометрия.

Скорость электричества в медной проволоке

Скорость дрейфа в медной проволоке диаметром 2 мм при силе тока 1 ампер составляет около 8 см в час. Переменные напряжения не вызывают чистого движения, электроны колеблются вперед и назад в зависимости от электрического переменного поля (на расстоянии нескольких микрометров — см. пример расчета).

Какова скорость электрического тока в меди?

Для медного провода 12-го калибра, по которому проходит постоянный ток силой 10 ампер, скорость электрического тока (средняя скорость дрейфа электронов) составляет около 80 сантиметров в час или несколько метров в секунду. Это большая разница.

Является ли медная проволока хорошим проводником электричества?

Медь обладает наилучшей электропроводностью среди всех металлов, кроме серебра. Хорошая электропроводность соответствует низкому электрическому сопротивлению. Рис. 1 Громоотвод безопасно опускает груз на землю. Медные провода пропускают электрический ток, не тратя слишком много энергии.

Почему медь подходит для изготовления электрических проводов?

Благоприятные химические свойства: Благоприятные химические свойства этого красно-оранжевого металла, меди, играют важную роль в том, что он идеально подходит для изготовления электрических кабелей. Благодаря благоприятным химическим свойствам меди электрические медные провода выдерживают суровые погодные условия, устойчивы к износу и имеют длительный срок службы.

Как электричество проходит по проводам?

Что касается потока электроэнергии по кабелям, то передача – это транспортировка электроэнергии от источника к месту потребления. Когда вы думаете об электрической сети, это огромная сеть, предназначенная для передачи электроэнергии. Как правило, электроэнергия от электростанций направляется на подстанции по линиям электропередач.

Скорость электрического тока

Электромагнитные волны распространяются в вакууме с максимальной скоростью 299 792 458 метров в секунду. Для медного провода 12-го калибра, по которому проходит постоянный ток силой 10 ампер, скорость электрического тока (средняя скорость дрейфа электронов) составляет около 80 сантиметров в час или несколько метров в секунду.

Что увеличит электрический ток?

Таким образом, есть два возможных способа увеличения электрического тока в простой цепи: 1 путем увеличения источника или напряжения ЭДС в цепи. ПРАВДА. 2 Уменьшая сопротивление в цепи, этого можно добиться заменой компонентов с высоким сопротивлением на компоненты с низким сопротивлением или их полного исключения.

Каково фактическое направление электрического тока?

По соглашению направлением электрического тока является направление смещения положительного заряда. Следовательно, ток во внешней цепи проводится от положительного полюса к отрицательному полюсу батареи. На самом деле электроны будут двигаться по проводам в противоположном направлении.

Как измерить электрический ток?

Электрический ток измеряется в амперах, но на самом деле для большинства электронных работ вы измеряете ток в миллиамперах или мА. Для измерения силы тока нужно соединить два провода от амперметра в цепь так, чтобы через амперметр протекал ток. Другими словами, амперметр должен стать частью цепи.

Что вы измеряете электрическим током?

Ток — это мера количества электрического заряда, протекающего в цепи. Чем выше нагрузка, тем выше ток. Сила тока измеряется в амперах. Обозначение ампер — A. Например, 20 A — это ток, превышающий 5 A. Слово amps часто сокращается как amps, отсюда и количество протекающих ампер.

Скорость электричества против скорости света

Эксперименты сэра Чарльза Уитстона показали, что скорость электричества составляет около 288 000 миль в секунду, что намного превышает скорость света, которую все считают главным препятствием. Однако, чтобы интерпретировать это, необходимо понять, что такое «электричество».

По какой формуле вычисляется скорость света?

В известном уравнении относительности E = mc2 скорость света (c) служит константой пропорциональности, связывающей когда-то разные понятия массы (m) и энергии (E).

Какие вещи быстрее света?

Считается, что две вещи движутся в пустом пространстве быстрее, чем свет. Во-первых, это связь между запутанными частицами, которые, как говорят, движутся со скоростью, по меньшей мере, в 10 000 раз превышающей скорость света. 8).
Что влияет на скорость распространения радиоволн в воздухе?
Радиоволны распространяются в вакууме со скоростью света. Атмосфера Земли достаточно тонкая, чтобы позволить радиоволнам распространяться в атмосфере со скоростями, близкими к скорости света, но изменения плотности и температуры могут привести к тому, что волны легко ломаются (изгибаются) на больших расстояниях.
Какова средняя скорость радиоволн?
Радиоволны распространяются в космосе со скоростью света, которая составляет 300 000 000 метров в секунду. Это скорость радиоволны.
С одинаковой ли скоростью распространяются радиоволны и световые волны?
Радиоволны — это форма электромагнитного излучения, имеющая такое же явление, как свет, рентгеновские лучи и некоторые другие виды излучения, но с гораздо большей длиной волны.
Какова частота, длина волны и скорость радиоволн?
Радиоволны представляют собой тип электромагнитного (ЭМ) излучения с более длинной длиной волны в электромагнитном спектре, чем инфракрасный свет.

Сравнение скорости электрона и скорости электрического тока

Поиск носителей электрического тока

О скорости распространения электрического тока

Условия для существования электрического тока 10 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение

Электрический ток

Носители заряда

Условия существования электрического тока

Скорость электронов меньше чем скорость распространения тока

Вопросы на тему «Электрический ток в металлах»

Скорость тока и скорость света – можно ли поставить знак равенства?

ФИЗИКА

§ 34. Электрический ток в металлах

Вопросы

Скорость распространения электрического тока

Электрический ток в газах

Популярные заблуждения о скорости света

Вольт-амперная характеристика металлов.

Электрические токи в природе

Скорость тока и скорость света – можно ли поставить знак равенства?

Скорость тока и скорость света – можно ли поставить знак равенства?

Применение свойств электрического тока в металлах

Свободные носители электрического заряда в металлах.

Основы электронной теории проводимости

Свободные электроны

Электрический ток в металлах

Сопротивление металлов

См. так же

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

Урок 5. Какая Скорость электрического тока

Какова скорость распространения электрического тока в цепи — Строй Обзор

Выбор читателей

Сосудистые заболевания мозга. Все может начаться с головной боли

«Какого цвета платье?»

Схема и особенности движения тока в проводнике

Переменный и постоянный ток – в чем разница

Скорость тока и скорость света – можно ли поставить знак равенства?

Является ли ток скоростью электронов?

Твой ответ

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Опубликовать как гость

Опубликовать как гость

20.1 Текущий курс физики в колледже 2e

Цели обучения

Электрический ток

Пример 20.1

Расчет токов: ток в аккумуляторе грузовика и портативном калькуляторе

Стратегия

Решение для (a)

Обсуждение для (a)

Решение для (b)

Обсуждение для (б)

Установление связей: домашнее исследование — иллюстрация электрического тока

Пример 20,2

Расчет количества электронов, проходящих через калькулятор

Стратегия

Решение

Обсуждение

Скорость дрейфа

Проводимость электричества и тепла

Установление связей: домашнее исследование — наблюдения за филаментами

Пример 20,3

Расчет дрейфовой скорости в общем проводе

Стратегия

Решение

Обсуждение

Медь и электричество. Скорость дрейфа.

Ток и сопротивление

Воздух, как правило, плохой проводник, но при достаточно высокой разности потенциалов электричество может проходить через воздух.

Электрический ток заставляет светиться нить накаливания лампочки.

Один ампер определяется как 1 кулон заряда в секунду.

Пример вопроса

С какой скоростью движутся эти электроны? В типичном бытовом токе:

A. со скоростью света

B. со скоростью сверхзвукового самолета

C.

D. так быстро, как может бежать человек

E. так быстро, как ползает улитка

Скорость дрейфа

На этой диаграмме изображены электроны, движущиеся по проводу с поперечным сечением A за промежуток времени от t до t + Δt.