В предыдущей публикации, посвященной электрическому току, я сказал, что не понимаю природу электрического тока и причины возникновения постоянного тока в металлах.
Оказалось, что и многие читатели тоже не имеют четких представлений о природе и свойствах электрического тока. Другие читатели очень уверенно излагают в комментариях положения из школьных учебников, но не могут внятно ответить на вопросы, сформулированные в публикации «Неожиданно для себя я осознал, что не понимаю, что такое электрический ток».
Несмотря на то, что электрический ток остаётся для меня загадкой, на некоторые вопросы, рассматриваемые в комментариях к публикации, можно дать аргументированные ответы.
Читатель Константин Madnesz задал следующий вопрос:
«Если взять двужильный экранированный провод длиной 300 000 км, с одной стороны подключить лампочку, с другой кнопку и элемент питания, то через какое время после нажатия кнопки загорится лампа? Варианты ответа:
А - через секунду
Б - через 2 секунды
В - начнет разгораться сразу, полной яркости достигнет через 2 секунды
Г - начнет разгораться сразу, полной яркости достигнет через 1 секунду»
Позднее он привел своё мнение:
«Независимо от длины провода с любой стороны, время зависит от расстояния от ключа до лампочки».
То есть, правильный ответ – вариант А, через одну секунду. В принципе я согласен с этим, но считаю необходимым сделать несколько комментариев.
Для начала, я хочу уточнить, что под термином «скорость электрического тока» в данной публикации я буду понимать скорость распространения воздействия, приводящего к появлению тока. Известно, что скорость перемещения носителей заряда при протекании электрического тока в металлах составляет несколько миллиметров в секунду. Но при замыкании электрической цепи по проводнику передается воздействие, вызывающее электрический ток, со скоростью, близкой к световой.
Чтобы не вдаваться в дискуссии по поводу того, что это за воздействие, я умышленно не говорю о скорости распространения электромагнитного поля, а полагаю, что это просто некое воздействие на вещество, взаимодействие, в результате которого возникает электрический ток.
Скорость распространения этого воздействия очень велика, близка к скорости света. Но, все-таки, несколько меньше. Можно сказать, что эта скорость равна скорости распространения сигналов в проводнике. Известно, что скорость распространения электрических сигналов во многих проводниках составляет около 70% от скорости света и зависит от их конструктивных особенностей. Так электромагнитный сигнал проходит 1 метр тонкого коаксиального кабеля примерно за 5 наносекунд, а 1 метр толстого коаксиального кабеля – примерно за 4,5 наносекунды. При этом световая волна проходит 1 метр примерно за 3,3 наносекунды. Такое замедление скорости распространения сигнала в среде сложно объяснить, но оно не является каким-то уникальным явлением. Так скорость распространения света во многих средах также существенно уменьшается. Например, скорость распространения света в воде составляет около 75% от скорости света в вакууме. Во многих стеклах и кристаллах уменьшение скорости ещё более существенно. Возможно, что упомянутые явления имеют общую природу.
При рассмотрении нашей задачи можно допустить, что скорость распространения тока равна скорости света. В рассматриваемых примерах меня будет интересовать качественное, а не количественное описание явления.
Итак, рассмотрим электрическую цепь на рисунке 1 с источником постоянного тока, лампочкой, расположенной на расстоянии 300 000 км от источника и кнопкой, расположенной около источника. При замыкании кнопки лампочка загорится тогда, когда информация о замыкании цепи достигнет лампочки, то есть немногим более чем через 1 секунду.
Интересно рассмотреть более сложный пример, когда в электрическую цепь включено несколько лампочек, как на рисунке 2. В каком порядке будут загораться лампочки?
Логично предположить, что они будут загораться по мере поступления к ним информации о замыкании цепи. То есть, сначала загорится лампочка Л1, затем Л2, Л3, Л4 и Л5. В данном случае предполагается, что сигнал о замыкании цепи не передается через источник питания. Но так будет происходить только в случае идеального источника питания с бесконечным внутренним сопротивлением.
Может ли информация о замыкании цепи передаваться через источник питания? Это самый дискуссионный вопрос. Я полагаю, что в случае, если через источник питания протекает слабый обратный ток, то информация о замыкании цепи может передаваться им. В этом случае лампочка Л5 будет загораться одновременно с Л1, но её свечение будет очень слабым, соответствующим обратному току в источнике питания. В этом случае картина будет выглядеть следующим образом: сначала загорится лампочка Л1 сильно, а Л5 слабо, затем Л2 сильно, а Л4 слабо, затем Л3 сильно, Л4 сильно и потом Л5 сильно.
Что изменится, если около источника питания поставить второй выключатель, который будет замыкаться одновременно с первым? Схема изображена на рисунке 3. В отличие от предыдущей схемы, в данном примере на проводе и лампочках нет никакого потенциала. Лампочки вообще не знают о существовании источника питания. Поэтому при одновременном замыкании контактов К1 и К2 сначала загорится лампочка Л3 через время, необходимое для распространения сигнала от контактов до лампочки (как и в первом примере немногим более 1 секунды). Затем загорятся лампочки Л2 и Л4, затем Л1 и Л5. Порядок загорания лампочек в данном случае не будет зависеть от того, насколько идеальным является источник питания.
Отмечу, что эти примеры оказалось возможным рассматривать даже не уточняя, что же это за загадочное воздействие, которое передается по проводнику с огромной скоростью и приводит к возникновению электрического тока в проводнике.