Брзина електричне струје
Хајде да урадимо овај мисаони експеримент. Замислите да постоји село на удаљености од 100 километара од града и да је од града до тог села положена жичана сигнална линија дужине око 100 километара са сијалицом на крају. Оклопљена двожилна линија, положена је на носаче дуж пута. А ако сада пошаљемо сигнал преко ове линије од града до села, колико ће времена бити потребно да се тамо прими?
Прорачуни и искуство нам говоре да ће се сигнал у облику сијалице на другом крају појавити за најмање 100/300000 секунди, односно за најмање 333,3 μс (не узимајући у обзир индуктивност жице) у село ће се упалити лампица, што значи да ће се у жици успоставити струја (на пример, користимо једносмерну струју од напуњен кондензатор).
100 је дужина сваке вене у нашој жици у километрима, а 300.000 километара у секунди је брзина светлости - брзина ширења електромагнетни талас у вакууму. Да, "кретање електрона" ће се ширити дуж жице брзином светлости.
Али чињеница да се електрони крећу један за другим брзином светлости уопште не значи да се сами електрони крећу у жици тако огромном брзином. Електрони или јони у металном проводнику, у електролиту или у другом проводљивом медијуму не могу да се крећу тако брзо, односно, носиоци наелектрисања се не крећу релативно једни према другима брзином светлости.
Брзина светлости у овом случају је брзина којом носиоци наелектрисања у жици почињу да се крећу један за другим, односно то је брзина простирања транслационог кретања носача наелектрисања. Сами носачи наелектрисања имају „брзину дрифта“ при једносмерној струји, рецимо у бакарној жици, од само неколико милиметара у секунди!
Хајде да разјаснимо ову тачку. Рецимо да имамо напуњен кондензатор и на њега прикачимо дугачке жице од наше сијалице инсталиране у селу на удаљености од 100 километара од кондензатора. Повезивање жица, односно затварање кола, врши се прекидачем ручно.
Шта ће се десити? Када је прекидач затворен, наелектрисане честице почињу да се крећу у оним деловима жица који су повезани са кондензатором. Електрони напуштају негативну плочу кондензатора, електрично поље у диелектрику кондензатора се смањује, позитивно наелектрисање супротне (позитивне) плоче се смањује — у њу се уливају електрони из спојене жице.
Тако се смањује потенцијална разлика између плоча.А пошто су електрони у жицама поред кондензатора почели да се крећу, други електрони са удаљених места на жици долазе на своја места, другим речима, почиње процес прерасподеле електрона у жици услед дејства електричног поља у затвореном колу. Овај процес се шири даље дуж жице и коначно стиже до жарне нити сигналне лампе.
Дакле, промена електричног поља се шири дуж жице брзином светлости, активирајући електроне у колу. Али сами електрони се крећу много спорије.
Пре него што наставимо даље, размотрите хидрауличку аналогију. Нека минерална вода потече из села у град кроз цев. Ујутро је у селу пуштена пумпа која је почела да повећава притисак воде у цеви да би натерала воду са сеоског извора да се креће у град.Промена притиска се шири дуж цевовода веома брзо, брзином. од око 1400 км/с (зависи од густине воде, од њене температуре, од величине притиска).
Делић секунде након укључивања пумпе у селу, вода је кренула у град. Али да ли је ово иста вода која тренутно тече кроз село? Не! Молекули воде у нашем примеру гурају једни друге и сами се крећу много спорије, пошто брзина њиховог одступања зависи од величине притиска. Дробљење молекула један о други шири се много редова величине брже од кретања молекула дуж цеви.
Тако је и са електричном струјом: брзина простирања електричног поља слична је простирању притиска, а брзина кретања електрона који формирају струју слична је директном кретању молекула воде.
Вратимо се сада директно на електроне. Брзина правилног кретања електрона (или других носилаца наелектрисања) назива се брзина дрифта. Његови електрони добијају кроз акцију спољашње електрично поље.
Ако не постоји спољашње електрично поље, онда се електрони хаотично крећу унутар проводника само термичким кретањем, али нема усмерене струје, па се стога брзина дрифта у просеку испоставља нула.
Ако се на проводник примени спољашње електрично поље, тада ће у зависности од материјала проводника, од масе и наелектрисања носилаца наелектрисања, од температуре, од разлике потенцијала, носиоци наелектрисања почети да се крећу, али брзина овог кретања биће значајно мања од брзине светлости, око 0,5 мм у секунди (за бакарну жицу пресека 1 мм2, кроз коју протиче струја од 10 А, просечна брзина дрифта електрона биће 0,6– 6 мм/с).
Ова брзина зависи од концентрације слободних носилаца наелектрисања у проводнику н, од површине попречног пресека проводника С, од наелектрисања честице е, од величине струје И. Као што видите, упркос чињеница да се електрична струја (предњи део електромагнетног таласа) шири дуж жице брзином светлости, сами електрони се крећу много спорије. Испоставило се да је брзина струје веома мала брзина.