Недавно один из подписчиков прислал следующий вопрос:
В школе мы учили, что электрический ток — это движение электронов в проводнике, при этом электрический ток движется со скоростью света. Как электроны умудряются двигаться с такой скоростью в плотной среде?
Очень хороший вопрос, который, к сожалению, демонстрирует недостатки школьного образования. Давайте разбираться вместе в том, какова на самом деле скорость электрического тока.
Во-первых сразу нужно сказать, что электроны в проводниках вовсе не движутся со скоростью света. И дело даже не в том, что они, как массивные частицы, в принципе не могут достичь такой скорости. На самом деле их скорость на много порядков ниже. В обычных сетях электроснабжения средняя скорость электронов в проводниках находится в пределах 1-2 миллиметров в секунду. Эта скорость называется дрейфовая скорость носителей заряда.
Но все мы из повседневного опыта знаем, что электричество распространяется практически мгновенно. Когда мы нажимаем на выключатель лампочка зажигается или гаснет в ту же секунду. Если бы электричество распространялось со скоростью движения электронов нам пришлось бы ждать несколько часов прежде чем загорелся бы свет.
Когда мы подключаем проводник к источнику тока свободные электроны в нём начинают испытывать действие внешнего электромагнитного поля и приходят в упорядоченное движение. Нужно понимать, что электроны обычно не взаимодействуют друг с другом сталкиваясь, как шары на бильярде. Электроны в проводнике взаимодействуют при помощи своих электромагнитных полей. Чем сильнее сближаются два электрона, тем сильнее они отталкивают друг друга (электроны имеет отрицательные заряды, а одинаковые заряды, как мы помним — отталкиваются).
Когда электрон движется его электромагнитное поле движется вместе с ним, таким образом один электрон может «толкнуть» другой задолго до того, как физически приблизится к нему. В результате электроны двигаясь с небольшими скоростями «толкают» друг друга и электромагнитные эффекты распространяются в проводнике с гораздо большей скоростью, чем скорость движения каждого электрона.
Можно рассмотреть наглядный пример в виде длинной трубки наполненной шариками: если запихнуть в трубку еще один шарик из противоположного конца трубки шарик выпадет практически мгновенно. Т.е. несмотря на небольшую скорость движения самих шариков механические эффекты внутри этого «потока» шариков распространяются очень быстро.
Другой аналогией может быть распространение звука. Скорость звука в воздухе составляет примерно 335 м/с. Т.е. когда в 300 метрах от вас раздаётся звук вы слышите его в ту же секунду, хотя частицы воздуха, колебания которых уловило ваше ухо движутся гораздо медленнее, чем 335 м/c и будут это совсем не те частицы, которые привёл в движение источник звука.
Аналогично происходит и с электронами в проводнике. Дрейфовая скорость электронов невелика, но взаимодействия между их электрическими полями распространяются очень быстро.
На практике скорость распространения сигналов в большинстве проводников варьируется между 50% и 99.99% скорости света. К примеру в медном кабеле сигнал распространяется со скоростью около 95% скорости света.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал на youtube. Каждую неделю там выходят видео, где я отвечаю на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом! А кроме того посетите мой сайт.