Geschwindigkeit des elektrischen Stroms

Machen wir dieses Gedankenexperiment. Stellen Sie sich vor, dass sich in einer Entfernung von 100 Kilometern von der Stadt ein Dorf befindet und dass eine Signalleitung von etwa 100 Kilometern Länge mit einer Glühbirne am Ende von der Stadt zu diesem Dorf verlegt wird. Es handelt sich um eine geschirmte zweiadrige Leitung, die auf Stützen entlang der Straße verlegt wird. Und wenn wir nun über diese Leitung ein Signal von Stadt zu Dorf senden, wie lange wird es dann dauern, bis es dort empfangen wird?

Berechnungen und Erfahrungen zeigen, dass am anderen Ende in mindestens 100/300000 Sekunden, also in mindestens 333,3 μs (ohne Berücksichtigung der Induktivität des Drahtes) ein Signal in Form einer Glühbirne erscheint Im Dorf wird ein Licht aufleuchten, was bedeutet, dass ein Strom im Kabel aufgebaut wird (wir verwenden zum Beispiel einen Gleichstrom von geladener Kondensator). 

100 ist die Länge jeder Ader in unserem Draht in Kilometern und 300.000 Kilometer pro Sekunde ist die Lichtgeschwindigkeit – die Ausbreitungsgeschwindigkeit Elektromagnetische Welle In einem Vakuum. Ja, die „Bewegung der Elektronen“ breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit entlang des Drahtes aus.

Die Tatsache, dass sich die Elektronen nacheinander mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen beginnen, bedeutet jedoch keineswegs, dass sich die Elektronen selbst mit einer so enormen Geschwindigkeit im Draht bewegen. Elektronen oder Ionen in einem Metallleiter, in einem Elektrolyten oder in einem anderen leitfähigen Medium können sich nicht so schnell bewegen, das heißt, die Ladungsträger bewegen sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit relativ zueinander.

Die Lichtgeschwindigkeit ist in diesem Fall die Geschwindigkeit, mit der sich die Ladungsträger im Draht nacheinander zu bewegen beginnen, also die Ausbreitungsgeschwindigkeit der translatorischen Bewegung der Ladungsträger. Die Ladungsträger selbst haben bei Gleichstrom, etwa in einem Kupferdraht, eine „Driftgeschwindigkeit“ von nur wenigen Millimetern pro Sekunde!

Lassen Sie uns diesen Punkt klarstellen. Nehmen wir an, wir haben einen geladenen Kondensator und daran befestigen wir lange Drähte unserer Glühbirne, die in einem Dorf in einer Entfernung von 100 Kilometern vom Kondensator installiert ist. Das Anschließen der Drähte, also das Schließen des Stromkreises, erfolgt manuell mit einem Schalter.

Was wird passieren? Wenn der Schalter geschlossen ist, beginnen sich geladene Teilchen in den Teilen der Drähte zu bewegen, die mit dem Kondensator verbunden sind. Elektronen verlassen die negative Platte des Kondensators, das elektrische Feld im Dielektrikum des Kondensators nimmt ab, die positive Ladung der gegenüberliegenden (positiven) Platte nimmt ab – Elektronen fließen aus dem angeschlossenen Draht hinein.

Dadurch verringert sich die Potentialdifferenz zwischen den Platten.Und da sich die Elektronen in den Drähten neben dem Kondensator zu bewegen begannen, kommen andere Elektronen von entfernten Stellen auf dem Draht an ihre Plätze, mit anderen Worten, der Prozess der Umverteilung der Elektronen im Draht beginnt aufgrund der Wirkung eines elektrischen Feldes in einem geschlossenen Kreislauf. Dieser Prozess breitet sich weiter entlang des Drahtes aus und erreicht schließlich den Glühfaden der Signallampe.

Die Änderung des elektrischen Feldes breitet sich also mit Lichtgeschwindigkeit entlang des Drahtes aus und aktiviert die Elektronen im Stromkreis. Aber die Elektronen selbst bewegen sich viel langsamer.

Bevor wir weitermachen, betrachten wir eine hydraulische Analogie. Lassen Sie das Mineralwasser durch eine Leitung vom Dorf in die Stadt fließen. Am Morgen wurde im Dorf eine Pumpe gestartet und sie begann, den Wasserdruck in der Leitung zu erhöhen, um das Wasser von der Dorfquelle in die Stadt zu leiten. Die Druckänderung breitet sich sehr schnell und mit hoher Geschwindigkeit entlang der Leitung aus von etwa 1400 km/s (sie hängt von der Dichte des Wassers, von seiner Temperatur, von der Größe des Drucks ab).

Einen Sekundenbruchteil nach dem Einschalten der Pumpe im Dorf begann Wasser in die Stadt zu strömen. Aber ist das dasselbe Wasser, das derzeit durch das Dorf fließt? NEIN! Die Wassermoleküle in unserem Beispiel stoßen sich gegenseitig an und bewegen sich selbst viel langsamer, da die Geschwindigkeit ihrer Abweichung von der Größe des Drucks abhängt. Das Zusammendrücken von Molekülen gegeneinander breitet sich um viele Größenordnungen schneller aus als die Bewegung von Molekülen entlang der Röhre.

So ist es auch mit einem elektrischen Strom: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Feldes ähnelt der Ausbreitung von Druck, und die Bewegungsgeschwindigkeit von Elektronen, die einen Strom bilden, ähnelt direkt der Bewegung von Wassermolekülen.

Kommen wir nun direkt zurück zu den Elektronen. Die Geschwindigkeit der geordneten Bewegung von Elektronen (oder anderen Ladungsträgern) wird Driftrate genannt. Seine Elektronen gewinnen durch die Aktion externes elektrisches Feld. 

Wenn kein äußeres elektrisches Feld vorhanden ist, bewegen sich die Elektronen im Leiter nur durch thermische Bewegung chaotisch, es gibt jedoch keinen gerichteten Strom, und daher ist die Driftgeschwindigkeit im Durchschnitt Null.

Wenn an einen Leiter ein äußeres elektrisches Feld angelegt wird, dann beginnen sich die Ladungsträger abhängig vom Material des Leiters, von der Masse und Ladung der Ladungsträger, von der Temperatur, von der Potentialdifferenz zu bewegen, aber von der Geschwindigkeit Diese Bewegung wird deutlich geringer sein als die Lichtgeschwindigkeit, etwa 0,5 mm pro Sekunde (für einen Kupferdraht mit einem Querschnitt von 1 mm2, durch den ein Strom von 10 A fließt, beträgt die durchschnittliche Geschwindigkeit der Elektronendrift 0,6– 6 mm/s).

Diese Geschwindigkeit hängt von der Konzentration freier Ladungsträger im Leiter n, von der Querschnittsfläche des Leiters S, von der Ladung des Teilchens e und von der Größe des Stroms I ab. Wie Sie trotz sehen können Aufgrund der Tatsache, dass sich der elektrische Strom (die Front der elektromagnetischen Welle) mit Lichtgeschwindigkeit entlang des Drahtes ausbreitet, bewegen sich die Elektronen selbst viel langsamer. Es stellt sich heraus, dass die Geschwindigkeit des Stroms sehr niedrig ist.