Скорость электрического тока

Давайте проведем такой мысленный эксперимент. Представьте, что на расстоянии в 100 километров от города находится некая деревня, и что из города в эту деревню проложена проводная сигнальная линия длиной примерно в 100 километров с лампочкой на конце. Линия экранированная двухпроводная, она проложена на опорах вдоль автомобильной дороги. И если теперь послать сигнал по этой линии из города в деревню, то через какое время он сможет быть там принят?

Расчеты и опыт говорят нам, что сигнал в виде засветившейся лампочки появится на другом конце минимум через 100/300000 секунд, то есть минимум через 333,3 мкс (без учета индуктивности провода) в деревне загорится лампочка, значит в проводнике установится ток (допустим, мы используем постоянный ток от заряженного конденсатора).

100 — это длина каждой из жил нашего провода в километрах, а 300000 километров в секунду — скорость света — скорость распространения электромагнитной волны в вакууме. Да, «движение электронов» распространится по проводнику со скоростью света.

Но тот факт, что электроны начинают приходить в движение друг за другом со скоростью света вовсе не означает, что сами электроны движутся в проводнике со столь огромной скоростью. Электроны или ионы, в металлическом проводнике, в электролите или в другой проводящей среде, не могут двигаться так быстро, то есть носители заряда не движутся друг относительно друга со скоростью света.

Скорость света в данном случае — это та скорость, с которой носители заряда в проводнике начинают друг за другом приходить в движение, то есть это скорость распространения поступательного движения носителей заряда. Сами же носители заряда имеют «дрейфовую скорость» при установившемся токе, скажем в медном проводнике, всего несколько миллиметров в секунду!

Поясним этот момент. Допустим, у нас есть заряженный конденсатор, и мы присоединяем к нему длинные провода от нашей лампочки, установленной в деревне на расстоянии в 100 километров от конденсатора. Присоединение проводов, то есть замыкание цепи осуществляем выключателем вручную.

Что произойдет? При замыкании выключателя начинается движение заряженных частиц в тех частях проводов, которые присоединены к конденсатору. Электроны покидают минусовую обкладку конденсатора, электрическое поле в диэлектрике конденсатора уменьшается, положительный заряд противоположной (плюсовой) обкладки уменьшается — на нее забегают электроны из присоединенного провода.

Так разность потенциалов между обкладками уменьшается. А так как электроны в прилегающих к конденсатору проводах начали двигаться, то на их места приходят другие электроны из отдаленных мест провода, иначе говоря начинается процесс перераспределения электронов в проводе из-за действия электрического поля в замкнутой цепи. Этот процесс распространяется все дальше и дальше по проводу и наконец достигает нити накаливания сигнальной лампы.

Итак, изменение электрического поля распространяется по проводнику со скоростью света, активируя электроны в цепи. Но сами электроны движутся гораздо медленнее.

Прежде чем пойти дальше, рассмотрим гидравлическую аналогию. Пусть из деревни в город по трубе подается минеральная вода. Утром в деревне запустили насос, и он стал повышать давление воды в трубе, чтобы заставить воду из деревенского источника двигаться в город. Изменение давления распространяется по трубопроводу очень быстро, примерно со скоростью 1400 км/с (зависит от плотности воды, от ее температуры, от величины давления).

Спустя долю секунды после пуска насоса в деревне, вода начала двигаться уже в городе. Но та же ли это вода, что движется в данный момент в деревне? Нет! Молекулы воды в нашем примере толкают друг друга, а сами движутся значительно медленнее, поскольку скорость их дрейфа зависит от величины напора. Толкотня молекул между собой распространяется на много порядков быстрее чем движение молекул вдоль трубы.

Так и с электрическим током: скорость распространения электрического поля аналогична распространению давления, а скорость движения электронов, образующих ток, аналогична движению непосредственно молекул воды.

Теперь вернемся непосредственно к электронам. Скорость упорядоченного движения электронов (или других носителей заряда) называют дрейфовой скоростью. Ее электроны приобретают благодаря действию внешнего электрического поля.

Если внешнего электрического поля нет, то электроны движутся хаотично внутри проводника лишь в тепловом движении, но направленного тока нет, и следовательно дрейфовая скорость в среднем оказывается равной нулю.

Эта скорость зависит от концентрации свободных носителей заряда в проводнике n, от площади сечения проводника S, от заряда частицы e, от величины тока I. Как видите, несмотря на то, что электрический ток (фронт электромагнитной волны) распространяется по проводнику со скоростью света, сами электроны движутся куда медленнее. Получается, что скорость тока — это очень малая скорость.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Электрический ток и его скорость

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:

Источник

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

Любой человек, разбирающийся в физике, скажет, что скорость движения электрического тока равна скорости света и составляет 300 тысяч километров в секунду. С одной стороны он прав на 100%, но есть нюансы.

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.

Что такое электрический ток?

Из школьного курса физики известно, что электричество – это поток электронов, упорядоченно перемещающихся в проводнике. Пока источника электричества нет, электроны движутся в проводнике хаотически, в разных направлениях. Если суммировать траектории всех заряженных частиц, получится ноль. Поэтому кусок металла не бьет током.

Если металлический предмет подсоединить к электрической цепи, все электроны в нем выстроятся в цепочку и потекут от одного полюса к другому. Насколько быстро произойдет упорядочение? Со скоростью света в вакууме. Но это не означает, что электроны полетели от одного полюса к другому также стремительно. Это заблуждение. Просто люди настолько привыкли к утверждению, что электричество распространяется так же быстро как свет, что не особо задумываются над деталями.

Популярные заблуждения о скорости света

Еще одним примером такого поверхностного восприятия можно назвать понятие о природе молнии. Многие ли задумываются, какие физические процессы происходят во время грозы? Какова, например, скорость молнии? Можно ли без приборов узнать, на какой высоте бушуют грозовые разряды? Разберемся со всем этим по порядку.

Ступенчатый лидер или главный канал молнии формируется в несколько этапов. Каждая ступень в десятки метров образуется со скоростью около 100 км/сек вдоль разрядных нитей из ионизированных частиц. Направление меняется на каждом этапе, поэтому молния имеет вид извилистой линии. 100 километров в секунду – это быстро, но до скорости электромагнитной волны очень далеко. В три тысячи раз.

Что быстрее: молния или гром?

Этот детский вопрос имеет простой ответ – молния. Из того же школьного курса физики известно, что скорость звука в воздухе равна примерно 331 м/сек. Почти в миллион раз медленнее электромагнитной волны. Зная это, легко понять, как высчитать расстояние до молнии.

Свет вспышки доходит до нас в момент разряда, а звук летит дольше. Достаточно засечь промежуток времени между вспышкой и громом. Теперь просто считаем, насколько далеко от нас ударила молния, по простой формуле:

Где T – это время от вспышки до грома, а L – это расстояние от нас до молнии в метрах.

Например, гром прогремел через 7.2 секунды после вспышки. 331 × 7.2 = 2383. Получается, что молния ударила на высоте 2 километра 383 метра.

Скорость электромагнитной волны – это не скорость тока

Теперь будем более внимательны к цифрам и терминам. На примере молнии убедились, что маленькое неверное допущение может привести к большим промахам. Точно известно, что скорость распространения электромагнитной волны равна 300 000 километров в секунду. Однако это не означает, что электроны в проводнике перемещаются с такой же скоростью.

Представим, что две команды соревнуются, кто быстрее доставит мяч с одного края поля на другой. Обязательное условие – каждый член команды сделает несколько шагов с мячом в руках. В одной команде пять человек, а в другой – один. Пятеро, выстроившись в цепочку, сыграют в пас, сделав каждый несколько шагов в направлении от старта к финишу. Одиночке придется бежать всю дистанцию. Очевидно, что победят пятеро, потому что мяч летит быстрее, чем человек бегает.

Так же и с электричеством. Электроны «бегают» медленно (собственная скорость элементарных частиц в направленном потоке исчисляется миллиметрами в секунду), но передают друг другу «мячик» заряда очень быстро. При отсутствии разности потенциалов на разноименных концах проводника все электроны движутся хаотично. Это тепловое движение, присутствующее в каждом веществе.

Если бы электроны двигались в проводах со скоростью света

Представим, что скорость электронов в проводнике все-таки близка к световой. В этом случае современная энергетика была бы невозможна в привычном для нас виде. Если бы электроны двигались по проводам, пролетая 300 000 километров в секунду, пришлось бы решать очень сложные технические задачи.

Самая очевидная проблема: на такой скорости электроны не смогут следовать за поворотами проводов. Разогнавшись на прямом участке, заряженные частицы будут вылетать по касательной как не вписавшиеся в вираж автомобили. Чтобы удержать летящие на космических скоростях электроны внутри энергетических магистралей, придется снабжать провода электромагнитными ловушками. Каждый участок проводки станет похожим на фрагмент адронного коллайдера.

К счастью элементарные частицы предвигаются гораздо медленнее и для передачи энергии на дальние расстояния вполне пригодны неизолированные алюминиевые провода для ЛЭП

Надеемся, что ознакомившись с этим обзором, вы нашли ответ на вопрос почему ток не бежит по кабелям со скоростью света и вспомнили кое-что из школьного курса физики, а это, согласитесь, крайне полезно в любом возрасте.

Источник

С какой скоростью перемещается электрический ток по проводам

Какова скорость движения электрического тока по проводам?

Вопрос интересный. И тут необходимо вспомнить школьный курс физики. А именно, что собой представляет собой электрический ток.

Это, как известно, упорядоченное движение электронов, вызванное приложенным электрическим полем, движущимся со скоростью 300 тысяч км в секунду. С таким значением распространяется по проводам фронт электромагнитного поля.

Пока нет источника электричества, электроны в жилах проводов двигаются в разных направлениях, т.е. хаотично. При подсоединении к нему они потекут от одного полюса к другому. Отсюда вывод – при подключении возникает скачок напряжения, который движется от одно конца к другому со скоростью света, при этом сами электроны в это время преодолевают расстояние приблизительно не более 1 мм/сек.

В качестве основной методики, используемой для проверки штатных параметров защитных средств, используются нормативы государственного стандарта 1994 года Р50571.3. Соблюдение правил поверки обеспечивает безопасность работы с оборудованием, имеющим металлические нетоковедущие части.

Нормы укомплектования средствами защиты (СЗ) помещений, где установлены устройства вводно-распределительные (ВРУ, УВР) с любым количеством вводов должны удовлетворять требованиям, указанным в ПУЭ-7, ПТЭЭП, СО 153-34.03.603-2003,«Правилах техники безопасности при эксплуатации электроустановок», «Санитарных нормам выполнения работ в условиях воздействия электрических полей промышленной частоты» и другими действующими нормативно-техническими документам.

Из школьного курса физики известно, что ток в цепи представляет собой направленное движение частиц, которые электрически заряжены. Такое движение возникает при определенных условиях. Они следующие – должны быть носители зарядов, цепь должна быть замкнутой и должен быть источник ЭДС.

Электроцепи трехфазные это совокупность 3 цепей, где действуют ЭДС в форме синусоиды одной частоты, смещенные по фазе на 120°. Создаются они одним источником энергии. Относят такую цепь к системам, которые принято называть многофазными. Как видно из определения в ее состав входят генератор трехфазного типа, линия передающая и потребители электрической энергии.

Источник

Чему равна скорость электрического тока?

На этот вопрос я получил ответ в 7 классе общеобразовательной школы. Учитель физики тогда популярно объяснил, что:

А чтоб, значит, окончательно все вопросы снять, учитель добавил:

— Вот, посмотрите дети на эту картинку из учебника:

Рисунок 707.1. Направление движения электронов и направление электрического тока.

С тех пор прошло 40 лет, но вопрос по скорости электрического тока у меня остался. Более того, появились новые вопросы:

1. Чему равна скорость тока в солевой батарейке или просто в солевом растворе с анодом и катодом? Ведь там вроде не электроны скорость задают?

Или получается, что любые заряженные частицы имеют одинаковую скорость вне зависимости от размера и массы? Ну то есть если в проводах между лампочкой, к батарейке подключенных, скорость тока световая, то и в растворе такая же.

Вот в видимом нам мире, чтоб спокойному телу (V₀ = 0) некоторую скорость придать, ему волшебный пендель отвесить нужно. Выражаясь по-научному, приложить к нему силу F = ma. То есть, чем тяжелее тело, тем большая сила для начала движения тела потребуется. Кроме того, нужная скорость не сразу будет, а по прошествии некоторого времени, потому что V = at. И это мы еще не учитывали возможное сопротивление среды, в котором тело двигаться будет.

2. Чему равна скорость перемещения электрического заряда в воздухе?

Ну вот когда молния ударяет, то мы этот пробой конденсатора видим. И видим, что скорость молнии вроде чуток поменьше скорости света? Хотя и больше скорости звука.

Может это от того, что сопротивление воздушной среды многократно больше сопротивления проводников? Потому и скорость переноса электрического заряда в воздухе меньше? Или это просто оптический обман зрения, который к электрической теории никакого отношения не имеет?

А шаровую молнию вообще как понимать? Что это за шар такой, в котором массы и нет почти, ну как у мыльного пузыря. Поэтому и летает шаровая молния, как тот же мыльный пузырь, и точно также лопнуть может от соприкосновения даже с небольшим препятствием, только с несколько другими последствиями.

Но вот через окно шаровая молния вроде как спокойно проходит, что 1638 году впервые зафиксировали в храме божьем английские ученые, поэтому форточку во время грозы нужно закрывать. Или это просто байки на ночь? Из тех, которыми внук Махно всю палату в пионерлагере развлекал?

Вот есть простая и понятная формула (закон Ома для участка цепи), показывающая взаимоотношение основных электрических величин:

I = U/R (707.1)

А еще силу тока можно определить и по другой формуле:

I = qSl/t = qR/t = qSv (707.2)

Примечание: вообще-то классическая запись формулы (707.2) выглядит так: I = Δq/Δt, где Δq = qoSΔl, но сути это не меняет.

И тут мы уже вполне видим скорость и даже прямую зависимость скорости тока от силы тока. Получается, что если нам нужно прокачать по проводнику одной и той же длины, например 1 м, ток с одной и той же силой 1 А, то чем меньше сечение проводника S, тем больше скорость электрического тока!

И тут напрашивается простейшая аналогия из раздела движения жидкостей. В двух трубах одинаковой длины при прохождении одного и того же объема жидкости за один и тот же промежуток времени скорость потока будет больше в той трубе, поперечное сечение которой меньше.

Больше скорость увеличивать нельзя, при увеличении силы тока медный проводник будет нагреваться, т.е. работать на пределе пропускной способности и чем больше будет сила тока, тем быстрее проводник расплавится от перегрева (эта особенность раньше использовалась при производстве легкоплавких предохранителей).

Тем не менее все вышеизложенное позволяет сделать вывод, что уравнения Бернулли корректны и для электрического тока:

Более того, уравнения Бернулли корректны и для светового луча, который тоже есть поток фотонов, движущихся с некоторой скоростью, но про это рассказывается отдельно.

Поэтому на вопрос: «почему скорость электрического тока в проводнике в миллионы раз больше скорости электронов в том же проводнике?» ответ будет достаточно простой:

Таким образом, чем меньше площадь поперечного сечения проводника, тем меньше его пропускная способность за единицу времени, потому что скорость перемещения энергии ограничена скоростью движения фотонов. Когда мы умножаем площадь поперечного сечения проводника на длину проводника, то получаем условный объем электрического заряда в проводнике.

Когда мы пытаемся «прокачать» через поперечное сечение проводника объем энергии, больший пропускной способности проводника, то «избыточная» часть энергии поглощается проводником. Электроны, поглощая фотоны, переходят на более высокий энергетический уровень. Проводник нагревается и если температура окружающей среды при этом меньше температуры проводника, то проводник начинать излучать это тепло по всей своей длине.

Думаю, теперь можно достаточно логично ответить и на другой вопрос: «Почему электрический заряд движется в направлении, противоположном направлению движения электронов?»

Ответ: Потому что соблюдается закон сохранения энергии.

E = m_фc 2 /2 = m_ev 2 /2 (707.3)

Возможный ответ: Потому что скорость света определена неправильно. Например если реальная скорость света равна 223000 км/с, то квадрат этой скорости в 2.008 раза меньше, чем квадрат скорости 316000 км/с. Возможно эта двойка именно отсюда и появилась. Впрочем это не имеет прямого отношения к теме данной статьи.

Со скоростью электронов я в последнее время немного разобрался. Электроны действительно законопослушные ребята и двигаются строго в пределах ныне существующих теорий со скоростью, которая может изменяться в очень узких пределах от 0 м/с до 300 000 км/с (в зависимости от выбранной теории). А так чтоб скорость хоть чуть-чуть меньше или больше была, то это ни в какую.

Правда, это возможная скорость при вращении электронов по орбите, а не линейная скорость перемещения в проводнике, но на такие мелочи и вовсе не стоит внимание обращать.

Доступ к полной версии этой статьи и всех остальных статей на данном сайте стоит всего 30 рублей. После успешного завершения перевода откроется страница с благодарностью, адресом электронной почты и продолжением статьи. Если вы хотите задать вопрос по расчету конструкций, пожалуйста, воспользуйтесь этим адресом. Зараннее большое спасибо.)). Если страница не открылась, то скорее всего вы осуществили перевод с другого Яндекс-кошелька, но в любом случае волноваться не надо. Главное, при оформлении перевода точно указать свой e-mail и я обязательно с вами свяжусь. К тому же вы всегда можете добавить свой комментарий. Больше подробностей в статье «Записаться на прием к доктору»

Для терминалов номер Яндекс Кошелька 410012390761783

Номер карты Ymoney 4048 4150 0452 9638 SERGEI GUTOV

Примечание: Возможно ваш вопрос, особенно если он касается расчета конструкций, так и не появится в общем списке или останется без ответа, даже если вы задатите его 20 раз подряд. Почему, достаточно подробно объясняется в статье «Записаться на прием к доктору» (ссылка в шапке сайта).

Источник