Скорость распространения электрического сигнала по проводнику близка к скорости света (до 300 000 км/с), но сами электроны двигаются очень медленно — в медном проводнике их скорость порядка миллиметров в секунду.
С какой скоростью передается по проводу электрический ток? На этот вопрос не так просто ответить. Распространяется ток с чрезвычайно большой скоростью — с такой же, как и свет, т. е. 300 тыс. км в секунду. От Луны до Земли (385 тыс. км) свет доходит примерно за секунду с четвертью, от Солнца до Земли (около 150 млн. км) — за 8 мин. 18 сек.
Значит, если бы протянуть провод от Земли до Луны и включить ток на Земле, то он дошел бы до Луны через секунду с четвертью. Лампочка, включенная в этот провод, через секунду зажглась бы на расстоянии 300 тыс. км от нас.
На наших «земных» расстояниях ток распространяется практически мгновенно. Однако это вовсе не значит, что с такой скоростью движутся по проводу сами электроны. Их скорость несравненно меньше.
Давайте проведем такой мысленный эксперимент. Представьте, что на расстоянии в 100 километров от города находится некая деревня, и что из города в эту деревню проложена проводная сигнальная линия длиной примерно в 100 километров с лампочкой на конце.
Линия экранированная двухпроводная, она проложена на опорах вдоль автомобильной дороги. И если теперь послать сигнал по этой линии из города в деревню, то через какое время он сможет быть там принят?
Расчеты и опыт говорят нам, что сигнал в виде засветившейся лампочки появится на другом конце минимум через 100/300000 секунд, то есть минимум через 333,3 мкс (без учета индуктивности провода) в деревне загорится лампочка, значит в проводнике установится ток (допустим, мы используем постоянный ток от заряженного конденсатора).
100 — это длина каждой из жил нашего провода в километрах, а 300000 километров в секунду — скорость света — скорость распространения электромагнитной волны в вакууме. Да, «движение электронов» распространится по проводнику со скоростью света.
Но тот факт, что электроны начинают приходить в движение друг за другом со скоростью света вовсе не означает, что сами электроны движутся в проводнике со столь огромной скоростью. Электроны или ионы, в металлическом проводнике, в электролите или в другой проводящей среде, не могут двигаться так быстро, то есть носители заряда не движутся друг относительно друга со скоростью света.
Скорость света в данном случае — это та скорость, с которой носители заряда в проводнике начинают друг за другом приходить в движение, то есть это скорость распространения поступательного движения носителей заряда. Сами же носители заряда имеют «дрейфовую скорость» при установившемся токе, скажем в медном проводнике, всего несколько миллиметров в секунду!
Поясним этот момент. Допустим, у нас есть заряженный конденсатор, и мы присоединяем к нему длинные провода от нашей лампочки, установленной в деревне на расстоянии в 100 километров от конденсатора. Присоединение проводов, то есть замыкание цепи осуществляем выключателем вручную.
Что произойдет? При замыкании выключателя начинается движение заряженных частиц в тех частях проводов, которые присоединены к конденсатору. Электроны покидают минусовую обкладку конденсатора, электрическое поле в диэлектрике конденсатора уменьшается, положительный заряд противоположной (плюсовой) обкладки уменьшается — на нее забегают электроны из присоединенного провода.
Так разность потенциалов между обкладками уменьшается. А так как электроны в прилегающих к конденсатору проводах начали двигаться, то на их места приходят другие электроны из отдаленных мест провода, иначе говоря начинается процесс перераспределения электронов в проводе из-за действия электрического поля в замкнутой цепи. Этот процесс распространяется все дальше и дальше по проводу и наконец достигает нити накаливания сигнальной лампы.
Итак, изменение электрического поля распространяется по проводнику со скоростью света, активируя электроны в цепи. Но сами электроны движутся гораздо медленнее.
С огромной скоростью распространяется вдоль провода электрическое силовое поле — действие электродвижущей силы. Через секунду она приведет в движение электроны на расстоянии 300 тыс. км. Но это будут отнюдь не те электроны, которые на секунду раньше пришли в движение в начале провода.
Когда электроны проходят внутри металлического провода, они все время сталкиваются с атомами и один с другим, отскакивают в стороны, движутся то в одном, то в другом направлении, часто даже назад. И это очень замедляет их движение. Правда, если приложить электродвижущую силу, она постепенно «проталкивает» электроны вдоль провода.
Если бы скорость тока была скоростью распространения электронов, то лампочки в светильнике зажглись бы через полчаса после того, как вы повернули на стене выключатель. И то это было бы лишь в том случае, если бы мы применяли постоянный ток.
Но в технике чаще используется переменный ток, который 100 раз в секунду меняет свое направление (имеет 50 пер/сек). В таком токе электроны вообще не распространяются вдоль провода. За каждый период они совершают лишь колебательное движение вперед и назад от своего среднего положения в проводе.
Прежде чем пойти дальше, рассмотрим гидравлическую аналогию. Пусть из деревни в город по трубе подается минеральная вода. Утром в деревне запустили насос, и он стал повышать давление воды в трубе, чтобы заставить воду из деревенского источника двигаться в город. Изменение давления распространяется по трубопроводу очень быстро, примерно со скоростью 1400 км/с (зависит от плотности воды, от ее температуры, от величины давления).
Спустя долю секунды после пуска насоса в деревне, вода начала двигаться уже в городе. Но та же ли это вода, что движется в данный момент в деревне? Нет! Молекулы воды в нашем примере толкают друг друга, а сами движутся значительно медленнее, поскольку скорость их дрейфа зависит от величины напора. Толкотня молекул между собой распространяется на много порядков быстрее чем движение молекул вдоль трубы.
Так и с электрическим током: скорость распространения электрического поля аналогична распространению давления, а скорость движения электронов, образующих ток, аналогична движению непосредственно молекул воды.
Теперь вернемся непосредственно к электронам. Скорость упорядоченного движения электронов (или других носителей заряда) называют дрейфовой скоростью. Ее электроны приобретают благодаря действию внешнего электрического поля.
Если внешнего электрического поля нет, то электроны движутся хаотично внутри проводника лишь в тепловом движении, но направленного тока нет, и следовательно дрейфовая скорость в среднем оказывается равной нулю.
Если внешнее электрическое поле приложено к проводнику, то в зависимости от материала проводника, от массы и заряда носителей заряда, от температуры, от разности потенциалов, — носители заряда придут в движение, но скорость этого движения будет существенно меньше скорости света, порядка 0,5 мм в секунду (для медного проводника сечением 1 мм2, по которому течет ток 10 А, средняя скорость дрейфа электронов составит 0,6–6 мм/c).
Эта скорость зависит от концентрации свободных носителей заряда в проводнике n, от площади сечения проводника S, от заряда частицы e, от величины тока I. Как видите, несмотря на то, что электрический ток (фронт электромагнитной волны) распространяется по проводнику со скоростью света, сами электроны движутся куда медленнее. Получается, что скорость тока — это очень малая скорость.
Вот наглядная таблица для сравнения скорости сигнала, скорости движения электронов и средней дрейфовой скорости в различных материалах:
| Материал проводника | Скорость сигнала (электромагнитного поля) | Дрейфовая скорость электронов* | Типичная скорость движения электронов |
|---|---|---|---|
| Медь | 200 000 – 250 000 км/с | 0.6 – 6 мм/с | миллиметры/секунду |
| Алюминий | 200 000 – 220 000 км/с | 0.4 – 4 мм/с | миллиметры/секунду |
| Железо | 180 000 – 210 000 км/с | 0.2 – 2 мм/с | меньше миллиметра/сек |
| Серебро | до 250 000 км/с | 0.7 – 7 мм/с | миллиметры/секунду |
| Свинец | 140 000 – 180 000 км/с | 0.1 – 1 мм/с | меньше миллиметра/сек |
| Электролит (водный раствор) | 200 – 500 км/с | 0.01 – 0.1 мм/с | сотые доли и миллиметры/сек |
Скорость сигнала — это скорость распространения фронта электромагнитного поля (близка к скорости света).
Дрейфовая скорость — это средняя скорость упорядоченного движения носителей заряда под действием поля.
В металлах скорость передачи сигнала очень высокая, а сами электроны движутся очень медленно — медленнее муравья! В электролите сигнал передается значительно медленнее, ионы двигаются тоже очень медленно.
Часто задаваемые вопросы о скорости электрического тока
1. Почему лампочка загорается мгновенно, как только включаешь выключатель?
Потому что электрический сигнал (перемещение электромагнитного поля по проводнику) распространяется почти со скоростью света — до 300 000 км/с. Это означает, что даже на расстояниях в десятки, сотни метров электроэнергия доходит практически мгновенно. Сами электроны двигаются очень медленно, но фронт сигнала — крайне быстро.
2. Как можно измерить скорость тока на практике?
На практике обычно измеряют скорость распространения электрического сигнала, а не движение самих электронов. В лабораторных условиях используют длинные провода, высокочастотные генераторы, осциллографы. Разница во времени между подачей сигнала и его приходом на дальний конец позволяет рассчитать скорость распространения сигнала — она близка к скорости света в материале проводника. Дрейфовую скорость электронов можно вычислить по формуле, но непосредственно измерить её затруднительно, так как она крайне мала (обычно меньше сантиметра в секунду).
3. Есть ли разница между скоростью тока в разных металлах или в электролитах?
Да, есть. Скорость распространения электромагнитного сигнала зависит от физических свойств среды — например, в меди сигнал идёт быстрее, чем в стали или алюминии (но во всех случаях это порядок сотен тысяч километров в секунду). Дрейфовая скорость электронов отличается — зависит от плотности носителей заряда, количества свободных электронов, материала. В электролитах движутся ионы, их скорость меньше, чем в металлах.
4. Движутся ли электроны на самом деле со скоростью света?
Нет. Электроны в проводнике движутся очень медленно — их дрейфовая скорость в типичной цепи составляет миллиметры или даже доли миллиметра в секунду. Быстро распространяется только электромагнитное поле, которое инициирует движение зарядов по всей цепи сразу.
5. Почему лампочка может зажечься даже при очень длинных проводах?
Потому что изменение электрического поля распространяется по проводнику мгновенно (по бытовым меркам), сигнал доходит до лампы раньше, чем какие-либо электроны реально «перебежали» из выключателя к лампочке.
6. Влияет ли материал провода на реальную скорость включения лампы?
Для бытовых длин проводов (метры, десятки метров) разница несущественна — сигнал всегда попадёт к нагрузке практически мгновенно. Для очень длинных линий и специализированных систем (радиотехника, энергосети) эта разница уже может быть заметна.
7. Кто придумал термин «скорость электрического тока»?
Данный термин часто используется в популярной литературе для обозначения скорости передачи сигнала по цепи (т.е. скорости фронта электромагнитной волны), хотя на самом деле физически корректно говорить о скорости распространения сигнала и о дрейфовой скорости носителей заряда.
8. Как быстро электроны движутся в проводе под током?
Для медного провода сечением 1 мм2, по которому течёт ток 10 А, дрейфовая скорость составляет порядка 0,6–6 мм/с. Чем выше ток и меньше сечение, тем выше дрейфовая скорость, но она всё равно во много раз ниже скорости света.
Если есть другие вопросы по теме — задавайте их в нашем Telegram-канале!