Hastighed af elektrisk strøm
Lad os lave dette tankeeksperiment. Forestil dig, at der er en landsby i en afstand af 100 kilometer fra byen, og at der lægges en ledningssignallinje på omkring 100 kilometer med en pære for enden fra byen til den landsby. En afskærmet to-core line, den er lagt på understøtninger langs vejen. Og hvis vi nu sender et signal over denne linie fra by til landsby, hvor lang tid skal det så gå, før det bliver modtaget der?
Beregninger og erfaringer fortæller os, at et signal i form af en pære vil dukke op i den anden ende på mindst 100/300000 sekunder, det vil sige på mindst 333,3 μs (uden at tage hensyn til ledningens induktans) i landsby vil et lys tænde, hvilket betyder, at der etableres en strøm i ledningen (f.eks. bruger vi en jævnstrøm på opladet kondensator).
100 er længden af hver vene i vores ledning i kilometer, og 300.000 kilometer i sekundet er lysets hastighed - udbredelseshastigheden elektromagnetisk bølge i et vakuum. Ja, "elektronernes bevægelse" vil forplante sig langs ledningen med lysets hastighed.
Men det faktum, at elektronerne begynder at bevæge sig den ene efter den anden med lysets hastighed, betyder slet ikke, at elektronerne selv bevæger sig i ledningen med så voldsom en hastighed. Elektroner eller ioner i en metalleder, i en elektrolyt eller i et andet ledende medium kan ikke bevæge sig så hurtigt, det vil sige, at ladningsbærerne ikke bevæger sig i forhold til hinanden med lysets hastighed.
Lysets hastighed er i dette tilfælde den hastighed, hvormed ladningsbærerne i tråden begynder at bevæge sig den ene efter den anden, det vil sige, det er udbredelseshastigheden af ladningsbærernes translationelle bevægelse. Ladningsbærerne selv har en "driftshastighed" ved jævnstrøm, f.eks. i en kobbertråd, på kun et par millimeter i sekundet!
Lad os gøre dette klart. Lad os sige, at vi har en opladet kondensator, og til den forbinder vi lange ledninger fra vores pære installeret i en landsby i en afstand af 100 kilometer fra kondensatoren. Tilslutning af ledningerne, det vil sige lukning af kredsløbet, sker med en kontakt manuelt.
Hvad vil der ske? Når kontakten er lukket, begynder ladede partikler at bevæge sig i de dele af ledningerne, der er forbundet til kondensatoren. Elektroner forlader kondensatorens negative plade, det elektriske felt i kondensatorens dielektrikum falder, den positive ladning af den modsatte (positive) plade falder - elektroner strømmer ind i den fra den tilsluttede ledning.
Dermed falder potentialforskellen mellem pladerne.Og da elektronerne i ledningerne ved siden af kondensatoren begyndte at bevæge sig, kommer andre elektroner fra fjerne steder på ledningen til deres steder, med andre ord begynder processen med omfordeling af elektroner i ledningen på grund af virkningen af et elektrisk felt i et lukket kredsløb. Denne proces spredes længere langs ledningen og når til sidst signallampens glødetråd.
Så ændringen i det elektriske felt forplanter sig langs ledningen med lysets hastighed og aktiverer elektronerne i kredsløbet. Men elektronerne selv bevæger sig meget langsommere.
Før vi går videre, overvej en hydraulisk analogi. Lad mineralvandet strømme fra landsbyen til byen gennem et rør. Om morgenen blev en pumpe startet i landsbyen, og den begyndte at øge vandtrykket i røret for at tvinge vandet fra landsbykilden til at flytte til byen. Trykændringen spredes langs rørledningen meget hurtigt, med en hastighed 1400 km/s (det afhænger af vandets tæthed, af dets temperatur, af trykkets størrelse).
En brøkdel af et sekund efter at pumpen blev tændt i landsbyen, begyndte vandet at strømme ind i byen. Men er det det samme vand, der lige nu strømmer gennem landsbyen? Ingen! Vandmolekylerne i vores eksempel skubber hinanden, og de bevæger sig selv meget langsommere, da hastigheden af deres afvigelse afhænger af trykkets størrelse. Knusningen af molekyler mod hinanden forplanter sig mange størrelsesordener hurtigere end molekylernes bevægelse langs røret.
Sådan er det med en elektrisk strøm: Udbredelseshastigheden af et elektrisk felt svarer til udbredelsen af tryk, og bevægelseshastigheden for elektroner, der danner en strøm, svarer til vandmolekylernes bevægelse direkte.
Lad os nu vende tilbage direkte til elektronerne. Hastigheden for ordnet bevægelse af elektroner (eller andre ladningsbærere) kaldes drifthastigheden. Dens elektroner vinder gennem handlingen eksternt elektrisk felt.
Hvis der ikke er et eksternt elektrisk felt, så bevæger elektronerne sig kaotisk inde i lederen kun ved termisk bevægelse, men der er ingen rettet strøm, og derfor viser drifthastigheden sig i gennemsnit at være nul.
Hvis et eksternt elektrisk felt påføres en leder, vil ladningsbærerne begynde at bevæge sig, afhængigt af lederens materiale, ladningsbærernes masse og ladning, temperatur, potentialforskel, men hastigheden af denne bevægelse vil være betydeligt mindre end lysets hastighed, ca. 0,5 mm pr. 6 mm/s).
Denne hastighed afhænger af koncentrationen af frie ladningsbærere i lederen n, af lederens S tværsnitsareal, af ladningen af partiklen e, af størrelsen af strømmen I. Som du kan se, på trods af det faktum, at den elektriske strøm (forsiden af den elektromagnetiske bølge) forplanter sig langs ledningen med lysets hastighed, bevæger elektronerne sig selv meget langsommere. Det viser sig, at strømmens hastighed er en meget lav hastighed.