Tốc độ dòng điện
Hãy làm thí nghiệm suy nghĩ này. Hãy tưởng tượng rằng có một ngôi làng cách thành phố 100 km và một đường dây tín hiệu dài khoảng 100 km với một bóng đèn ở đầu được đặt từ thành phố đến ngôi làng đó. Một đường hai lõi được che chắn, nó được đặt trên các giá đỡ dọc đường. Và nếu bây giờ chúng ta gửi một tín hiệu qua đường dây này từ thị trấn đến làng, thì sẽ mất bao lâu để tín hiệu được nhận ở đó?
Các tính toán và kinh nghiệm cho chúng ta biết rằng tín hiệu ở dạng bóng đèn sẽ xuất hiện ở đầu bên kia trong ít nhất 100/300000 giây, tức là ít nhất 333,3 μs (không tính đến độ tự cảm của dây) trong làng sẽ sáng, điều đó có nghĩa là một dòng điện sẽ được thiết lập trong dây dẫn (ví dụ: chúng tôi sử dụng dòng điện một chiều tụ điện tích điện).
100 là chiều dài của mỗi tĩnh mạch trong dây của chúng ta tính bằng kilômét và 300.000 kilômét trên giây là tốc độ ánh sáng—tốc độ lan truyền sóng điện từ trong chân không. Vâng, "chuyển động của các electron" sẽ truyền dọc theo dây với tốc độ ánh sáng.
Nhưng việc các electron bắt đầu chuyển động lần lượt với tốc độ ánh sáng hoàn toàn không có nghĩa là bản thân các electron đang chuyển động trong dây với tốc độ khủng khiếp như vậy. Các electron hoặc ion trong một dây dẫn kim loại, trong chất điện phân hoặc trong một môi trường dẫn điện khác không thể chuyển động nhanh như vậy, nghĩa là các hạt mang điện không chuyển động tương đối với nhau với tốc độ ánh sáng.
Tốc độ ánh sáng trong trường hợp này là tốc độ mà các hạt mang điện trong dây bắt đầu chuyển động nối tiếp nhau, nghĩa là nó là tốc độ lan truyền chuyển động tịnh tiến của các hạt mang điện. Bản thân các hạt mang điện có "vận tốc trôi" ở dòng điện một chiều, chẳng hạn như trong dây đồng, chỉ vài milimét mỗi giây!
Hãy làm rõ điểm này. Giả sử chúng ta có một tụ điện tích điện và chúng ta gắn dây điện dài từ bóng đèn của chúng ta được lắp đặt ở một ngôi làng cách tụ điện 100 km vào đó. Việc kết nối dây, nghĩa là đóng mạch, được thực hiện bằng công tắc thủ công.
Chuyện gì sẽ xảy ra? Khi đóng công tắc, các hạt tích điện bắt đầu di chuyển trong các phần của dây nối với tụ điện. Các electron rời khỏi bản âm của tụ điện, điện trường trong chất điện môi của tụ điện giảm, điện tích dương của bản đối diện (dương) giảm - các electron chảy vào nó từ dây được kết nối.
Do đó, sự khác biệt tiềm năng giữa các tấm giảm.Và do các electron trong dây tiếp giáp với tụ điện bắt đầu chuyển động nên các electron khác từ các vị trí xa trên dây đến vị trí của chúng, hay nói cách khác, quá trình phân phối lại các electron trong dây bắt đầu do tác dụng của điện trường trong một mạch kín. Quá trình này lan rộng hơn nữa dọc theo dây và cuối cùng đến dây tóc của đèn tín hiệu.
Vì vậy, sự thay đổi điện trường truyền dọc theo dây dẫn với tốc độ ánh sáng, kích hoạt các electron trong mạch. Nhưng bản thân các electron chuyển động chậm hơn nhiều.
Trước khi chúng ta đi xa hơn, hãy xem xét một phép loại suy thủy lực. Hãy để nước khoáng chảy từ làng đến thành phố thông qua một đường ống. Vào buổi sáng, một chiếc máy bơm được khởi động trong làng và nó bắt đầu tăng áp lực nước trong đường ống để đẩy nước từ nguồn của làng di chuyển lên thành phố, sự thay đổi áp suất lan truyền dọc theo đường ống rất nhanh, với tốc độ khoảng 1400 km / s (nó phụ thuộc vào mật độ của nước, từ nhiệt độ của nó, từ độ lớn của áp suất).
Một phần giây sau khi máy bơm được bật trong làng, nước bắt đầu chảy vào thành phố. Nhưng đây có phải là dòng nước hiện đang chảy qua làng không? KHÔNG! Các phân tử nước trong ví dụ của chúng ta đẩy nhau và bản thân chúng chuyển động chậm hơn nhiều, vì tốc độ lệch của chúng phụ thuộc vào độ lớn của áp suất. Sự nghiền nát của các phân tử với nhau lan truyền nhanh hơn nhiều bậc so với chuyển động của các phân tử dọc theo ống.
Với dòng điện cũng vậy: tốc độ lan truyền của điện trường tương tự như tốc độ lan truyền của áp suất và tốc độ chuyển động của các electron tạo thành dòng điện tương tự như chuyển động trực tiếp của các phân tử nước.
Bây giờ chúng ta hãy quay lại trực tiếp với các electron. Tốc độ chuyển động có trật tự của các electron (hoặc các hạt mang điện khác) được gọi là tốc độ trôi. Các electron của nó thu được thông qua hành động điện trường ngoài.
Nếu không có điện trường bên ngoài, thì các electron chuyển động hỗn loạn bên trong dây dẫn chỉ bằng chuyển động nhiệt, nhưng không có dòng điện định hướng, và do đó tốc độ trôi trung bình hóa ra bằng không.
Nếu một điện trường ngoài được đặt vào một dây dẫn, thì tùy thuộc vào vật liệu của dây dẫn, khối lượng và điện tích của các hạt mang điện, nhiệt độ, hiệu điện thế, các hạt mang điện sẽ bắt đầu chuyển động, nhưng tốc độ của chuyển động này sẽ nhỏ hơn đáng kể so với tốc độ ánh sáng, khoảng 0,5 mm mỗi giây (đối với dây đồng có tiết diện 1 mm2, có dòng điện 10 A chạy qua, tốc độ trôi trung bình của electron sẽ là 0,6– 6mm/giây).
Tốc độ này phụ thuộc vào nồng độ hạt mang điện tự do trong dây dẫn n, vào diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn S, vào điện tích của hạt e, vào độ lớn của dòng điện I. Như bạn có thể thấy, mặc dù thực tế là dòng điện (mặt trước của sóng điện từ) truyền dọc theo dây dẫn với tốc độ ánh sáng, bản thân các electron chuyển động chậm hơn nhiều. Hóa ra tốc độ của dòng điện là một tốc độ rất thấp.