Чому дорівнює швидкість струму в провіднику? Невже швидкості світла?

1. Що таке електричний струм?
2. Популярні помилки про швидкість світла
3. Що швидше: блискавка або грім?
4. Швидкість електромагнітної хвилі - це не швидкість струму
5. Якби електрони рухалися в проводах зі швидкістю світла

Будь-яка людина, що розбирається у фізиці, скаже, що швидкість руху електричного струму дорівнює швидкості світла і становить 300 тисяч кілометрів на секунду. З одного боку він має рацію на 100%, але є нюанси.

Зі світлом все просто і прозоро: швидкість польоту фотона дорівнює швидкості поширення світлового променя. З електронами складніше. Електричний струм сильно відрізняється від видимого випромінювання.

Чому вважається, що швидкість польоту фотонів у вакуумі і швидкість електронів в провіднику однакова? Твердження засноване на фактичних результатах. У 1888 році німецький вчений Генріх Герц експериментально встановив, що електромагнітна хвиля поширюється у вакуумі так само швидко як світло. Але чи можна говорити, що електрони в провіднику летять зі швидкістю світла? Треба розібратися з природою електрики.

Що таке електричний струм?

Зі шкільного курсу фізики відомо, що електрику - це потік електронів, впорядковано переміщаються в провіднику. Поки джерела електрики немає, електрони рухаються в провіднику хаотично, в різних напрямках. Якщо підсумувати траєкторії всіх заряджених частинок, вийде нуль. Тому шматок металу не б'є струмом.

Якщо металевий предмет під'єднати до електричного кола, всі електрони в ньому вишикуються в ланцюжок і потечуть від одного полюса до іншого. Наскільки швидко відбудеться впорядкування? Зі швидкістю світла у вакуумі. Але це не означає, що електрони полетіли від одного полюса до іншого також стрімко. Це оману. Просто люди настільки звикли до твердження, що електрику поширюється так само швидко як світло, що не особливо замислюються над деталями.

Популярні помилки про швидкість світла

Ще одним прикладом такого поверхневого сприйняття можна назвати поняття про природу блискавки. Чи багато хто замислюються, які фізичні процеси відбуваються під час грози? Яка, наприклад, швидкість блискавки? Чи можна без приладів дізнатися, на якій висоті вирують грозові розряди? Розберемося з усім цим по порядку.

Хтось може сказати, що блискавка б'є зі швидкістю світла, і не матиме рації. Настільки швидко поширюється спалах, викликана гігантським електричним розрядом в атмосфері, але сама блискавка набагато повільніше. Грозовий розряд - це не удар променя світла на зразок лазера, хоча візуально схоже. Це складна структура в насиченою електрикою атмосфері.

Ступінчастий лідер або головний канал блискавки формується в кілька етапів. Кожна ступінь в десятки метрів утворюється зі швидкістю близько 100 км / сек уздовж розрядних ниток з іонізованих частинок. Напрямок змінюється на кожному етапі, тому блискавка має вигляд звивистою лінії. 100 кілометрів на секунду - це швидко, але до швидкості електромагнітної хвилі дуже далеко. У три тисячі разів.

Що швидше: блискавка або грім?

Цей дитячий питання має просту відповідь - блискавка. З того ж шкільного курсу фізики відомо, що швидкість звуку в повітрі дорівнює приблизно 331 м / сек. Майже в мільйон разів повільніше електромагнітної хвилі. Знаючи це, легко зрозуміти, як вирахувати відстань до блискавки.

Світло спалаху доходить до нас в момент розряду, а звук летить довше. Досить засікти проміжок часу між спалахом і громом. Тепер просто вважаємо, наскільки далеко від нас вдарила блискавка, за простою формулою:

L = T × 331

Де T - це час від спалаху до грому, а L - це відстань від нас до блискавки в метрах.

Наприклад, грім прогримів через 7.2 секунди після спалаху. 331 × 7.2 = 2383. Виходить, що блискавка вдарила на висоті 2 кілометри 383 метри.

Швидкість електромагнітної хвилі - це не швидкість струму

Тепер будемо більш уважні до цифр і термінів. На прикладі блискавки переконалися, що маленьке невірне припущення може привести до великих промахів. Точно відомо, що швидкість поширення електромагнітної хвилі дорівнює 300 000 кілометрів на секунду. Однак це не означає, що електрони в провіднику переміщаються з такою ж швидкістю.

Уявімо, що дві команди змагаються, хто швидше доставить м'яч з одного краю поля на інший. Обов'язкова умова - кожен член команди зробить кілька кроків з м'ячем в руках. В одній команді п'ять чоловік, а в іншій - один. П'ятеро, вишикувавшись в ланцюжок, зіграють в пас, зробивши кожен кілька кроків в напрямку від старту до фінішу. Одиночці доведеться бігти всю дистанцію. Очевидно, що переможуть п'ятеро, тому що м'яч летить швидше, ніж людина бігає.

Так само і з електрикою. Електрони «бігають» повільно (власна швидкість елементарних частинок в направленому потоці обчислюється міліметрами в секунду), але передають один одному «м'ячик» заряду дуже швидко. При відсутності різниці потенціалів на різнойменних кінцях провідника всі електрони рухаються хаотично. Це тепловий рух, присутнє в кожному речовині.

Якби електрони рухалися в проводах зі швидкістю світла

Уявімо, що швидкість електронів в провіднику все-таки близька до швидкості світла. В цьому випадку сучасна енергетика була б неможлива в звичному для нас вигляді. Якби електрони рухалися по дротах, пролітаючи 300 000 км в секунду, довелося б вирішувати дуже складні технічні завдання.

Найбільш очевидна проблема: на такій швидкості електрони не зможуть слідувати за поворотами проводів. Розігнавшись на прямій ділянці, заряджені частинки будуть вилітати по дотичній що не вписалися в віраж автомобілі. Щоб утримати летять на космічних швидкостях електрони всередині енергетичних магістралей, доведеться забезпечувати проведення електромагнітними пастками. Кожна ділянка проводки стане схожим на фрагмент адронного коллайдера.

На щастя елементарні частинки предвігаются набагато повільніше і для передачі енергії на далекі відстані цілком придатні неізольовані алюмінієві дроти для ЛЕП

Сподіваємося, що ознайомившись з цим оглядом, ви знайшли відповідь на питання чому струм не біжить по кабелях зі швидкістю світла і згадали дещо з шкільного курсу фізики, а це, погодьтеся, вкрай корисно в будь-якому віці.