Pojďme společně navrhnout elektrické systémy: O rychlosti šíření elektrického proudu

Jakou rychlostí se drátem přenáší elektrický proud? Na tuto otázku není tak snadné odpovědět. Proud se šíří extrémně vysokou rychlostí – stejnou jako světlo, tedy 300 tisíc km za vteřinu. Z Měsíce na Zemi (385 tis. km) doletí světlo asi za vteřinu a čtvrt, ze Slunce na Zemi (asi 150 mil. km) za 8 minut. 18 sec.

To znamená, že kdybyste natáhli drát ze Země k Měsíci a zapnuli proud na Zemi, dosáhl by Měsíc za vteřinu a čtvrt. Žárovka připojená k tomuto drátu by se rozsvítila během vteřiny ve vzdálenosti 300 tisíc km od nás.

V našich „pozemských“ vzdálenostech se proud šíří téměř okamžitě. To však neznamená, že se samotné elektrony po drátu pohybují takovou rychlostí. Jejich rychlost je nesrovnatelně nižší.

Udělejme tento myšlenkový experiment. Představte si, že 100 kilometrů od města je určitá vesnice a z města do této vesnice je položeno drátové signální vedení dlouhé přibližně 100 kilometrů s žárovkou na konci.

Vedení je stíněné dvouvodičové vedení, je uloženo na podpěrách podél dálnice. A když nyní vyšleme signál po této lince z města do vesnice, jak dlouho bude trvat, než tam bude přijat?

Výpočty a zkušenosti nám říkají, že signál v podobě rozsvícené žárovky se na druhém konci objeví minimálně po 100/300000 sekundách, tedy minimálně po 333,3 μs (bez zohlednění indukčnosti vodiče), v obci se rozsvítí žárovka, což znamená, že se ve vodiči vytvoří proud (řekněme, že použijeme stejnosměrný proud z nabitého kondenzátoru).

100 je délka každého z jader našeho drátu v kilometrech a 300000 XNUMX kilometrů za sekundu je rychlost světla – rychlost šíření elektromagnetické vlny ve vakuu. Ano, „pohyb elektronů“ se bude šířit vodičem rychlostí světla.

Ale to, že se elektrony začnou pohybovat jeden po druhém rychlostí světla, neznamená, že se samotné elektrony pohybují ve vodiči tak ohromnou rychlostí. Elektrony nebo ionty se v kovovém vodiči, elektrolytu nebo jiném vodivém médiu nemohou pohybovat tak rychle, to znamená, že nosiče náboje se vůči sobě nepohybují rychlostí světla.

Rychlost světla je v tomto případě rychlost, kterou se začnou pohybovat nosiče náboje ve vodiči jeden po druhém, to znamená rychlost šíření translačního pohybu nosičů náboje. Samotné nosiče náboje mají „rychlost driftu“ při ustáleném proudu, řekněme v měděném vodiči, pouze několik milimetrů za sekundu!

Pojďme si tento bod ujasnit. Řekněme, že máme nabitý kondenzátor a připojíme k němu dlouhé dráty z naší žárovky, instalované ve vesnici vzdálené 100 kilometrů od kondenzátoru. Připojíme vodiče, to znamená, že okruh uzavřeme ručně pomocí spínače.

co se stane? Při sepnutí spínače začíná pohyb nabitých částic v těch částech vodičů, které jsou připojeny ke kondenzátoru. Elektrony opouštějí zápornou desku kondenzátoru, elektrické pole v dielektriku kondenzátoru se zmenšuje, kladný náboj opačné (kladné) desky klesá – elektrony z připojeného vodiče na ni nabíhají.

Takže potenciálový rozdíl mezi deskami klesá. A protože se elektrony v vodičích sousedících s kondenzátorem začaly pohybovat, na jejich místo nastupují jiné elektrony ze vzdálených míst vodiče, jinými slovy začíná proces redistribuce elektronů ve vodiči v důsledku působení elektrického pole v uzavřený okruh. Tento proces se šíří dále a dále podél drátu a nakonec dosáhne vlákna signální žárovky.

Takže změna elektrického pole se šíří vodičem rychlostí světla a aktivuje elektrony v obvodu. Ale samotné elektrony se pohybují mnohem pomaleji.

Elektrické silové pole – působení elektromotorické síly – se šíří po drátu obrovskou rychlostí. Ve vteřině uvede do pohybu elektrony na vzdálenost 300 tisíc km. Ale nebudou to tytéž elektrony, které se začaly pohybovat o sekundu dříve na začátku drátu.

Když elektrony procházejí uvnitř kovového drátu, neustále narážejí do atomů a jeden do druhého, odrážejí se do stran, pohybují se jedním nebo druhým směrem, často i dozadu. A to je opravdu zpomaluje. Je pravda, že pokud použijete elektromotorickou sílu, postupně „tlačí“ elektrony podél drátu.

Pokud by rychlost proudu byla rychlostí šíření elektronů, pak by se žárovky v lampě rozsvítily půl hodiny poté, co byste otočili vypínačem na zdi. A to by se stalo pouze v případě, že bychom použili stejnosměrný proud.

Ale v technice se častěji používá střídavý proud, který mění svůj směr 100krát za sekundu (má 50 za sekundu). V takovém proudu se elektrony po drátu vůbec nešíří. Během každé periody provádějí pouze oscilační pohyb tam a zpět ze své průměrné polohy v drátu.

Než půjdeme dále, zvažte hydraulickou analogii. Minerální vodu nechejte přivádět z vesnice do města potrubím. Ráno se ve vesnici spustilo čerpadlo a začalo zvyšovat tlak vody v potrubí, aby přinutilo vodu z vesnického zdroje přesunout se do města. Změna tlaku se potrubím šíří velmi rychle, rychlostí přibližně 1400 km/s (v závislosti na hustotě vody, její teplotě a tlaku).

Zlomek vteřiny po spuštění čerpadla v obci se voda začala pohybovat ve městě. Je to ale ta samá voda, která se aktuálně pohybuje v obci? Žádný! Molekuly vody v našem příkladu se navzájem tlačí, ale samy se pohybují mnohem pomaleji, protože rychlost jejich driftu závisí na velikosti tlaku. Tlačení molekul mezi sebou se šíří o mnoho řádů rychleji než pohyb molekul po potrubí.

Totéž platí s elektrickým proudem: rychlost šíření elektrického pole je podobná šíření tlaku a rychlost pohybu elektronů tvořících proud je podobná pohybu samotných molekul vody.

Nyní se vraťme přímo k elektronům. Rychlost uspořádaného pohybu elektronů (nebo jiných nosičů náboje) se nazývá rychlost driftu. Jeho elektrony jsou získávány působením vnějšího elektrického pole.

Pokud neexistuje žádné vnější elektrické pole, pak se elektrony chaoticky pohybují uvnitř vodiče pouze tepelným pohybem, ale neexistuje žádný směrovaný proud, a proto je rychlost driftu v průměru rovna nule.

Pokud na vodič působí vnější elektrické pole, pak v závislosti na materiálu vodiče, na hmotnosti a náboji nosičů náboje, na teplotě, na rozdílu potenciálů se nosiče náboje začnou pohybovat, ale rychlost tohoto pohyb bude výrazně menší než rychlost světla, asi 0,5 mm za sekundu (u měděného vodiče o průřezu 1 mm2, kterým protéká proud 10 A, bude průměrná rychlost driftu elektronů 0,6–6 mm /s).

Tato rychlost závisí na koncentraci volných nosičů náboje ve vodiči n, na ploše průřezu vodiče S, na náboji částice e, na velikosti proudu I. Jak vidíte, navzdory skutečnost, že elektrický proud (čelo elektromagnetické vlny) se šíří vodičem rychlostí světla, samotné elektrony se pohybují mnohem pomaleji. Ukazuje se, že rychlost proudu je velmi nízká.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Při studiu elektrického proudu je často obtížné porozumět procesům, které se vyskytují na atomové úrovni a jsou nepřístupné našim smyslům – elektrický proud není vidět, slyšet ani se ho nedotknout. To vyvolává řadu otázek, včetně: Proč se vodiči zahřívají? Jaká je rychlost elektronů ve vodiči a na čem závisí? Proč když stiskneme vypínač, žárovka se téměř okamžitě rozsvítí? Zkusme na to společně přijít a odpovědět si na tyto a další otázky, které vás zajímají.

Proč se žárovka rozsvítí téměř okamžitě?

V první řadě je potřeba rozlišovat a nezaměňovat pojmy «rychlost šíření elektrického proudu“A”rychlost nosičů náboje“ – to není totéž.

Když mluvíme o rychlosti šíření elektrického proudu ve vodiči to znamená rychlost šíření elektrického pole podél vodiče, která se přibližně rovná rychlost světla ( ≈ 300 000 km/s). To však neznamená, že k pohybu nosičů náboje ve vodiči dochází touto obrovskou rychlostí. vůbec ne.

K pohybu nosičů náboje (ve vodiči, jsou to volné elektrony) dochází vždy poměrně pomalu., s rychlostí směrového driftu od zlomky milimetru na několik milimetrů za sekundu, protože elektrické náboje, srážející se s atomy hmoty, překonávají větší či menší odpor vůči jejich pohybu v elektrickém poli.

Ale věc se má, že ve vodiči je velmi, velmi mnoho volných elektronů (pokud má každý atom mědi jeden volný elektron, pak je ve vodiči tolik pohyblivých elektronů, kolik je atomů mědi). Volné elektrony jsou k dispozici všude v elektrickém obvodu, včetně, mimo jiné, vlákna žárovky, která je součástí tohoto obvodu.
Při připojení vodiče ke zdroji elektrické energie se v něm (rychlostí blízkou rychlosti světla) šíří elektrické pole, které začne působit na VŠECHNY volné elektrony téměř současně.

Žádné zpoždění tedy nepozorujeme. mezi sepnutím spínacích kontaktů a začátkem žhavení žárovky umístěné desítky či stovky kilometrů od elektrárny. Napětí se zapnulo, volné elektrony se začaly pohybovat (v celém obvodu současně), přenesly náboj, přenesly kinetickou energii na atomy wolframu (vlákno), ty se zahřály, až žhnuly – a žárovka nyní svítí.

V případě střídavého proudu pro získání potřebného tepla (rozptýlený výkon vlákna), na směru proudu nezáleží. Volné elektrony oscilují v reakci na změny v elektrickém poli a přenášejí náboj tam a zpět. V tomto případě se elektrony srazí s atomy krystalové mřížky wolframu a předají jim svou energii. To způsobí, že se vlákno žárovky zahřívá a svítí.

Na čem závisí driftová rychlost nosičů náboje?

Rychlost směrového driftu nosiče náboje v elektrickém poli úměrné velikosti elektrického proudu: nízký proud znamená pomalý průtok nabíjení, vysoký proud znamená b о větší rychlost.

O rychlosti nosičů náboje také ovlivňuje odpor vodiče. Tenký vodič má vyšší odpor, vodič velkého průměru má nižší odpor. Podle toho bude v tenkém vodiči průtok volných elektronů větší než v tlustém vodiči (se stejným proudem).

Důležitý je také materiál dirigenta: v hliníkovém vodiči bude rychlost toku elektronů větší než v měděném vodiči stejného průřezu. To mimo jiné znamená, že stejný proud ohřeje hliníkový vodič více než měděný.

Tepelný účinek proudu

Podívejme se podrobněji na povahu tepelného účinku proudu..
Při absenci elektrického pole se volné elektrony pohybují chaoticky v kovovém krystalu. Vlivem elektrického pole získávají volné elektrony kromě chaotického pohybu uspořádaný pohyb v jednom směru a ve vodiči vzniká elektrický proud.

Volné elektrony srážejí se s ionty krystalové mřížky, čímž jim při každé srážce dávají kinetickou energii získanou během volné dráhy pod vlivem elektrického pole. V důsledku toho lze uspořádaný pohyb elektronů v kovu považovat za rovnoměrný pohyb s určitou konstantní rychlostí.
Protože kinetická energie elektronů získaná působením elektrického pole, se přenáší na ionty krystalové mřížky když dojde ke srážce, tak když vodičem prochází stejnosměrný proud, zahřeje se.

V případě střídavého proudu dochází ke stejnému efektu. Jediný rozdíl je v tom, že elektrony se nepohybují jedním směrem, ale vlivem střídavého elektrického pole kmitají tam a zpět na síťové frekvenci (50/60 Hz) a zůstávají prakticky na místě.
V tomto případě se také elektrony srážejí s atomy kovové krystalové mřížky, předávají svou kinetickou energii a tím dochází k zahřívání krystalové mřížky. Při dostatečně vysokých hodnotách proudu může vysoce zahřátá mřížka dokonce ztratit trvalé spojení (kov se začne tavit).