Rýchlosť elektrického prúdu

Urobme tento myšlienkový experiment. Predstavte si, že vo vzdialenosti 100 kilometrov od mesta je dedina a že z mesta do tejto dediny je položená drôtová signálna linka dlhá asi 100 kilometrov so žiarovkou na konci. Tienené dvojžilové vedenie je položené na podperách pozdĺž cesty. A ak teraz pošleme signál cez toto vedenie z mesta do dediny, ako dlho bude trvať, kým sa tam prijme?

Výpočty a skúsenosti nám hovoria, že signál v podobe žiarovky sa na druhom konci objaví minimálne za 100/300000 sekúnd, teda minimálne za 333,3 μs (bez zohľadnenia indukčnosti vodiča) v v obci sa rozsvieti kontrolka, čo znamená, že sa v drôte vytvorí prúd (napr. používame jednosmerný prúd nabitý kondenzátor). 

100 je dĺžka každej žily v našom drôte v kilometroch a 300 000 kilometrov za sekundu je rýchlosť svetla – rýchlosť šírenia elektromagnetická vlna vo vákuu. Áno, "pohyb elektrónov" sa po drôte bude šíriť rýchlosťou svetla.

Ale to, že sa elektróny začnú pohybovať jeden po druhom rýchlosťou svetla, vôbec neznamená, že samotné elektróny sa pohybujú v drôte takou obrovskou rýchlosťou. Elektróny alebo ióny v kovovom vodiči, v elektrolyte alebo v inom vodivom prostredí sa nemôžu pohybovať tak rýchlo, to znamená, že nosiče náboja sa voči sebe nepohybujú rýchlosťou svetla.

Rýchlosť svetla je v tomto prípade rýchlosť, ktorou sa nosiče náboja v drôte začnú pohybovať jeden po druhom, to znamená, že je to rýchlosť šírenia translačného pohybu nosičov náboja. Samotné nosiče náboja majú "driftovú rýchlosť" pri jednosmernom prúde, povedzme v medenom drôte, len niekoľko milimetrov za sekundu!

Ujasnime si tento bod. Povedzme, že máme nabitý kondenzátor a pripojíme k nemu dlhé drôty z našej žiarovky inštalovanej v dedine vo vzdialenosti 100 kilometrov od kondenzátora. Pripojenie vodičov, to znamená uzavretie okruhu, sa vykonáva ručne spínačom.

Čo sa bude diať? Keď je spínač zatvorený, nabité častice sa začnú pohybovať v tých častiach drôtov, ktoré sú pripojené ku kondenzátoru. Elektróny opúšťajú zápornú dosku kondenzátora, elektrické pole v dielektriku kondenzátora klesá, kladný náboj opačnej (kladnej) dosky klesá — prúdia do nej elektróny z pripojeného vodiča.

Potenciálny rozdiel medzi doskami sa teda zmenšuje.A keďže sa elektróny v drôtoch priľahlých ku kondenzátoru začali pohybovať, na ich miesta prichádzajú ďalšie elektróny zo vzdialených miest na drôte, inými slovami, proces prerozdeľovania elektrónov v drôte začína pôsobením elektrického poľa. v uzavretom okruhu. Tento proces sa šíri ďalej pozdĺž drôtu a nakoniec dosiahne vlákno signálnej žiarovky.

Takže zmena elektrického poľa sa šíri pozdĺž drôtu rýchlosťou svetla, čím sa aktivujú elektróny v obvode. Ale samotné elektróny sa pohybujú oveľa pomalšie.

Než pôjdeme ďalej, zvážte hydraulickú analógiu. Minerálku nech steká z dediny do mesta potrubím. Ráno bolo v obci spustené čerpadlo a začalo zvyšovať tlak vody v potrubí, aby prinútilo vodu z dedinského zdroja presunúť sa do mesta.Zmena tlaku sa šíri po potrubí veľmi rýchlo, rýchlosťou okolo 1400 km/s (závisí od hustoty vody, od jej teploty, od veľkosti tlaku).

Zlomok sekundy po zapnutí čerpadla v obci sa voda začala sťahovať do mesta. Je to však tá istá voda, ktorá v súčasnosti preteká dedinou? Nie! Molekuly vody v našom príklade sa navzájom tlačia a samy sa pohybujú oveľa pomalšie, pretože rýchlosť ich odchýlky závisí od veľkosti tlaku. Drvenie molekúl proti sebe sa šíri o mnoho rádov rýchlejšie ako pohyb molekúl pozdĺž trubice.

Tak je to aj s elektrickým prúdom: rýchlosť šírenia elektrického poľa je podobná šíreniu tlaku a rýchlosť pohybu elektrónov, ktoré tvoria prúd, je podobná priamo pohybu molekúl vody.

Teraz sa vráťme priamo k elektrónom. Rýchlosť usporiadaného pohybu elektrónov (alebo iných nosičov náboja) sa nazýva rýchlosť driftu. Jeho elektróny získavajú pôsobením vonkajšie elektrické pole. 

Ak neexistuje žiadne vonkajšie elektrické pole, potom sa elektróny chaoticky pohybujú vo vnútri vodiča iba tepelným pohybom, ale neexistuje žiadny smerovaný prúd, a preto sa rýchlosť driftu v priemere ukáže ako nulová.

Ak sa na vodič aplikuje vonkajšie elektrické pole, potom v závislosti od materiálu vodiča, od hmotnosti a náboja nosičov náboja, od teploty, od rozdielu potenciálov sa nosiče náboja začnú pohybovať, ale rýchlosť tohto pohybu bude výrazne menšia ako rýchlosť svetla, asi 0,5 mm za sekundu (pre medený drôt s prierezom 1 mm2, ktorým preteká prúd 10 A, bude priemerná rýchlosť driftu elektrónov 0,6– 6 mm/s).

Táto rýchlosť závisí od koncentrácie voľných nosičov náboja vo vodiči n, od plochy prierezu vodiča S, od náboja častice e, od veľkosti prúdu I. Ako vidíte, napriek tým, že elektrický prúd (predná strana elektromagnetickej vlny) sa šíri po drôte rýchlosťou svetla, samotné elektróny sa pohybujú oveľa pomalšie. Ukazuje sa, že rýchlosť prúdu je veľmi nízka.