Velocitat del corrent elèctric

Fem aquest experiment mental. Imagineu-vos que hi ha un poble a una distància de 100 quilòmetres de la ciutat i que una línia de senyal de cable d'uns 100 quilòmetres de llarg amb una bombeta al final es posa des de la ciutat fins a aquest poble. Una línia blindada de dos nuclis, es col·loca sobre suports al llarg de la carretera. I si ara enviem un senyal per aquesta línia de poble en poble, quant de temps trigarà a rebre'l allà?

Els càlculs i l'experiència ens diuen que un senyal en forma de bombeta apareixerà a l'altre extrem en almenys 100/300000 segons, és a dir, en almenys 333,3 μs (sense tenir en compte la inductància del cable) en el s'encendrà un llum, el que significa que s'establirà un corrent al cable (per exemple, fem servir un corrent continu de condensador carregat). 

100 és la longitud de cada vena del nostre cable en quilòmetres, i 300.000 quilòmetres per segon és la velocitat de la llum, la velocitat de propagació ona electromagnètica al buit. Sí, el "moviment dels electrons" es propagarà al llarg del cable a la velocitat de la llum.

Però el fet que els electrons comencin a moure's un darrere l'altre a la velocitat de la llum no vol dir en absolut que els mateixos electrons es moguin en el cable a una velocitat tan tremenda. Els electrons o ions en un conductor metàl·lic, en un electròlit o en un altre medi conductor no es poden moure tan ràpid, és a dir, els portadors de càrrega no es mouen entre si a la velocitat de la llum.

La velocitat de la llum en aquest cas és la velocitat a la qual els portadors de càrrega del cable comencen a moure's un darrere l'altre, és a dir, és la velocitat de propagació del moviment de translació dels portadors de càrrega. Els mateixos portadors de càrrega tenen una "velocitat de deriva" en corrent continu, per exemple en un cable de coure, de només uns quants mil·límetres per segon!

Deixem clar aquest punt. Posem per cas que tenim un condensador carregat i que hi connectem llargs cables de la nostra bombeta instal·lada en un poble a una distància de 100 quilòmetres del condensador. La connexió dels cables, és a dir, el tancament del circuit, es fa amb un interruptor manualment.

Què passarà? Quan l'interruptor està tancat, les partícules carregades comencen a moure's a les parts dels cables connectats al condensador. Els electrons surten de la placa negativa del condensador, el camp elèctric en el dielèctric del condensador disminueix, la càrrega positiva de la placa oposada (positiva) disminueix: els electrons hi flueixen des del cable connectat.

Així, la diferència de potencial entre les plaques disminueix.I com que els electrons dels cables adjacents al condensador van començar a moure's, altres electrons de llocs llunyans del cable arriben als seus llocs, és a dir, el procés de redistribució d'electrons al cable comença a causa de l'acció d'un camp elèctric. en un circuit tancat. Aquest procés s'estén més al llarg del cable i finalment arriba al filament de la llum de senyal.

Així, el canvi de camp elèctric es propaga al llarg del cable a la velocitat de la llum, activant els electrons del circuit. Però els propis electrons es mouen molt més lentament.

Abans d'anar més lluny, considereu una analogia hidràulica. Deixeu que l'aigua mineral flueixi del poble a la ciutat per una canonada. Al matí es va posar en marxa una bomba al poble i va començar a augmentar la pressió de l'aigua a la canonada per forçar l'aigua de la font del poble a traslladar-se a la ciutat.El canvi de pressió es propaga per la canonada molt ràpidament, a una velocitat. d'uns 1400 km/s (depèn de la densitat de l'aigua, de la seva temperatura, de la magnitud de la pressió).

Una fracció de segon després d'encendre la bomba al poble, l'aigua va començar a entrar a la ciutat. Però és aquesta la mateixa aigua que actualment passa pel poble? No! Les molècules d'aigua del nostre exemple s'empenyen mútuament i elles mateixes es mouen molt més lentament, ja que la velocitat de la seva desviació depèn de la magnitud de la pressió. L'aixafament de molècules unes contra les altres es propaga molts ordres de magnitud més ràpid que el moviment de les molècules al llarg del tub.

Així és amb un corrent elèctric: la velocitat de propagació d'un camp elèctric és similar a la propagació de la pressió, i la velocitat de moviment dels electrons que formen un corrent és similar al moviment de les molècules d'aigua directament.

Ara tornem directament als electrons. La velocitat de moviment ordenat dels electrons (o altres portadors de càrrega) s'anomena velocitat de deriva. Els seus electrons guanyen mitjançant l'acció camp elèctric extern. 

Si no hi ha camp elèctric extern, aleshores els electrons es mouen caòticament dins del conductor només per moviment tèrmic, però no hi ha corrent dirigit i, per tant, la velocitat de deriva de mitjana resulta ser zero.

Si s'aplica un camp elèctric extern a un conductor, depenent del material del conductor, de la massa i la càrrega dels portadors de càrrega, de la temperatura, de la diferència de potencial, els portadors de càrrega començaran a moure's, però la velocitat d'aquest moviment serà significativament inferior a la velocitat de la llum, uns 0,5 mm per segon (per a un cable de coure amb una secció transversal d'1 mm2, a través del qual circula un corrent de 10 A, la velocitat mitjana de la deriva electrònica serà de 0,6–). 6 mm/s).

Aquesta velocitat depèn de la concentració de portadors de càrrega lliure en el conductor n, de l'àrea de la secció transversal del conductor S, de la càrrega de la partícula e, de la magnitud del corrent I. Com es pot veure, malgrat el fet que el corrent elèctric (la part frontal de l'ona electromagnètica) es propagui al llarg del cable a la velocitat de la llum, els propis electrons es mouen molt més lentament. Resulta que la velocitat del corrent és molt baixa.