СКОРОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Меня давно интересует один вопрос, для выяснения которого я предлагаю мысленный эксперимент. Допустим, что мы протянули проводник из точки А в точку В и обратно. Расстояние между точками 18 миллионов километров, то есть световой час. В точке В установим прибор, регистрирующий появление сигнала, в точке А — источник тока, индикатор (лампочку) и выключатель. Замкнем цепь. Как известно, все электроны в проводнике начинают двигаться одновременно. Значит, индикаторы в точках А и В мгновенно и одновременно покажут наличие тока. Но это — явное нарушение теории относительности, согласно которой в точке В ток должен появиться через час, а в А — через два часа. В чем же здесь противоречие?
Через какое время после замыкания ключа прибор в точке В покажет появление тока, а лампочка в точке А загорится?
В. КРАВЧЕНКО (пос. Безенчук Самарской обл.).
Электрический ток в металле — это направленное движение электронов. Двигаться электроны заставляет электрическое поле, создаваемое источником питания. Но электрическое поле представляет собой одну компоненту поля электромагнитного и, следовательно, распространяется со скоростью света. Поэтому прибор в точке В покажет появление тока не сразу после замыкания цепи, как мы привыкли видеть, включая свет в квартире, а через час. Лампочка в точке А зажжется через два часа в полном соответствии с теорией относительности. Более того, если на пути электрического тока поставить замедляющую систему (линию задержки), можно существенно понизить скорость распространения поля, а значит, и тока. Отношение скорости волны в вакууме c к скорости ее распространения в системе v : n = c / v — называется коэффициентом замедления. Эта характеристика имеет тот же физический смысл, что и показатель преломления прозрачной среды для света.
Читайте в любое время
Детальное описание иллюстрации
Через какое время после замыкания ключа прибор в точке В покажет появление тока, а лампочка в точке А загорится? В простейшем случае замедляющей линией для постоянного тока может служить очень большая индуктивность. При замыкании ключа лампа А загорается мгновенно, а лампа В — через некоторое время, зависящее от величины индуктивности L.
Чему равна скорость электрического тока в проводнике
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.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Что быстрее света в нашем мире? Часть I
Скорость больше скорости света в вакууме — это реальность. Теория относительности Эйнштейна запрещает лишь сверхсветовую передачу информации. Поэтому есть довольно много случаев, когда объекты могут двигаться быстрее света и ничего при этом не нарушать. Начнем с теней и солнечных зайчиков.
Если создать на далекой стене тень от пальца, на который светите фонариком, а потом пальцем пошевелите, то тень задвигается гораздо быстрее пальца. Если стена расположена очень далеко, то движение тени будет отставать от движения пальца, так как свет должен будет еще долететь от пальца до стены, но все равно скорость движения тени будет во столько же раз больше. То есть, скорость движения тени не ограничена скоростью света.
Кроме теней быстрее света могут двигаться и «солнечные зайчики». Например, пятнышко от лазерного луча, направленного на Луну. Расстояние до Луны 385 000 км. Если слегка поводить лазером сдвинув его едва лишь на 1 см, то он успеет пробежать Луну со скоростью примерно на треть больше световой.
Подобные вещи могут происходить и в природе. Например, световой луч от пульсара, нейтронной звезды, может прочесывать облако пыли. Яркая вспышка порождает расширяющееся оболочку из света или другого излучения. Когда она пересекает поверхность облака, то создается световое кольцо, увеличивающееся быстрее скорости света.
Все это примеры вещей, движущихся быстрее света, но которые не являлись физическими телами. При помощи тени или зайчика нельзя передать сверхсветовое сообщение, так что и общение быстрее света не получается.
А вот уже пример, который связан с физическими телами. Забегая вперед, скажем, что опять же сверхсветовых сообщений не получится.
В системе отсчёта, связанной с вращающимся телом, удалённые объекты могут двигаться со сверхсветовой скоростью. Например, Альфа Центавра в системе отсчёта, связанной с Землёй, движется со скоростью, более чем в 9600 раз превышающей скорость света, «проходя» расстояние около 26 световых лет в сутки. И точно такой же пример с Луной. Встаньте к ней лицом и повернитесь вокруг своей оси за пару секунд. За это время она повернулась вокруг вас на примерно на 2,4 миллиона километров, то есть в 4 раза быстрее скорости света. Ха-ха, скажете вы, так это ж не она вертелась, а я…А вспомните, что в теории относительности все системы отсчета независимы, включая и вращающиеся. Так что, с какой стороны еще посмотреть…
И что же делать? Ну на самом деле, никаких противоречий здесь нет, ведь опять же, это явление не может быть использовано для сверхсветовой передачи сообщений. Кроме того заметьте, в своей окрестности Луна не превышает скорости света. А именно на превышение локальной скорости света все запреты и накладываются в общей теории относительности.
Просто о сложном | Как достичь скорости света и что быстрее него
Если мы говорим о чем-то действительно быстром, то можем сказать, что это происходит со скоростью света. На самом деле мало кто понимает, насколько это значительная величина и почему на практике ее крайне трудно достичь какому-то телу, имеющему значительную массу и размер. Сейчас мы вам это объясним.
1. Чему равна скорость света в вакууме?
Скорость света — самая большая скорость, которую что-либо может иметь в нашей Вселенной. С ней в вакууме распространяются не только электромагнитные волны видимого спектра, но и любое излучение.
Эта величина составляет точно 299 792 458 м/с. В 1975 году ее определили с точностью до одного метра, а с 1983 года сам метр в Международной системе единиц — это расстояние, которое свет проходит за 1/299 792 458 секунды. Поэтому это едва ли не единственная константа, значение которой не будет уточняться в будущем.
2. Бывают ли случаи, когда скорость света ниже?
Все вышесказанное касается лишь скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В среде, хотя бы частично способной рассеивать их, она будет значительно ниже. Точная величина будет зависеть от длины волны и величины преломления самой среды.
Например, в абсолютно чистой воде скорость света видимого диапазона составляет около 225 341 км/с, в стекле — 200 000 км/с, а в сахаре — лишь 192 300 км/с. В воздухе она лишь немного меньше, чем в вакууме.
3. Что такое «световой конус»?
Со скоростью света связано понятие «светового конуса». Любое взаимодействие между двумя объектами во Вселенной, включая передачу информации, возможно только с помощью частиц или волн. А они не могут двигаться быстрее света.
Поэтому ни одно событие во Вселенной не может повлиять на другие объекты за время, меньшее, чем требуется свету, чтобы преодолеть расстояние между ними. Например, событие, произошедшее на Луне, никак не может повлиять на Землю раньше, чем за секунду с четвертью.
Для Солнца эта величина уже составляет почти 8,5 минут, для Плутона — около 4,5 часа, для α Центавра — более 4 лет, а для черной дыры Стрелец А* — 27 тыс. лет. Это и называется «световым конусом».
4. Что будет, если попытаться достичь скорости света?
Ньютоновская механика подсказывает нам, что если к какому-то телу постоянно прикладывать силу — например, импульс реактивных двигателей — то оно будет ускоряться, то есть его скорость будет расти. Так что же мешает нам достичь скорости света?
На это дает ответ Теория относительности. Согласно ей, чем ближе скорость тела к световой, тем большая энергия необходима для того, чтобы увеличить ее на ту же величину для каждой единицы массы этого тела.
Для того чтобы разогнать хоть какую-то массу до скорости света, к ней надо приложить бесконечное количество энергии. Именно поэтому в природе в большинстве случаев такую скорость имеют только частицы, у которых масса отсутствует — например, фотоны.
5. Может ли что-то двигаться быстрее света?
Хотя физика и отмечает, что для любого тела скорость света является пределом, есть теории, которые предполагают существование частиц, движущихся быстрее него. Эти частицы называются тахионами — от греческого слова, означающего «быстрый».
Тахионы обладают целым рядом странных свойств: например, их масса является мнимой. То есть она выражается числом, которое является квадратным корнем из отрицательной величины.
Никаких доказательств реального существования тахионов ученые не имеют. Кроме того, в отношении тахионных частиц и полей есть сомнения, способны ли они переносить информацию и действительно ли все они движутся быстрее света. Однако саму возможность существования такой частицы никто окончательно исключить не может.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Popular:
- Звезда, изменившая Вселенную: 100 лет со дня исторического открытия Хаббла
- 24 года полету первого космонавта Украины
- Что Perseverance может рассказать о древнем озере на Марсе
- Безмолвный часовой южного неба
- TESS обнаружил аналог Земли в зоне обитаемости красного карлика
Поделиться:
Редактор новостной ленты и автор статей
Занимаюсь популяризацией науки на украинском уже 10 лет. Имею ученую степень кандидата технических наук и раньше учил инженеров-строителей. Однако в последние годы рассказываю широкой публике о вещах, касающихся самых разных наук. А космос — моя особенная давняя любовь. В своей работе я стараюсь придерживаться принципа уважения к ученым, которые совершали открытия, и инженерам, создававшим космическую […]