ความเร็วของกระแสไฟฟ้า

มาทำการทดลองทางความคิดกันเถอะ ลองนึกภาพว่ามีหมู่บ้านแห่งหนึ่งอยู่ห่างจากตัวเมือง 100 กิโลเมตร และมีสายสัญญาณยาวประมาณ 100 กิโลเมตรพร้อมหลอดไฟที่ปลายสายวางจากเมืองไปยังหมู่บ้านนั้น สายสองแกนหุ้มฉนวนวางบนฐานรองรับตลอดแนวถนน และถ้าตอนนี้เราส่งสัญญาณผ่านเส้นนี้จากเมืองหนึ่งไปยังอีกหมู่บ้านหนึ่ง จะใช้เวลานานเท่าไหร่จึงจะรับสัญญาณที่นั่น?

การคำนวณและประสบการณ์บอกเราว่าสัญญาณในรูปของหลอดไฟจะปรากฏที่ปลายอีกด้านหนึ่งในเวลาอย่างน้อย 100/300000 วินาที นั่นคืออย่างน้อย 333.3 μs (โดยไม่คำนึงถึงความเหนี่ยวนำของเส้นลวด) ใน ไฟจะสว่างขึ้นในหมู่บ้าน ซึ่งหมายความว่ากระแสจะถูกสร้างขึ้นในสายไฟ (ตัวอย่างเช่น เราใช้กระแสตรงของ ตัวเก็บประจุที่มีประจุ). 

100 คือความยาวของเส้นลวดแต่ละเส้นในเส้นลวดเป็นกิโลเมตร และ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาทีคือความเร็วแสง—ความเร็วของการแพร่กระจาย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในสุญญากาศ ใช่ "การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน" จะแพร่กระจายไปตามเส้นลวดด้วยความเร็วแสง

แต่ความจริงที่ว่าอิเล็กตรอนเริ่มเคลื่อนที่ทีละตัวด้วยความเร็วแสงไม่ได้หมายความว่าตัวอิเล็กตรอนนั้นเคลื่อนที่ในเส้นลวดด้วยความเร็วมหาศาล อิเลคตรอนหรือไอออนในตัวนำโลหะ ในอิเล็กโทรไลต์ หรือในตัวกลางนำไฟฟ้าชนิดอื่นไม่สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วขนาดนั้น กล่าวคือ พาหะของประจุไม่เคลื่อนที่สัมพันธ์กันด้วยความเร็วแสง

ความเร็วของแสงในกรณีนี้คือความเร็วที่ตัวพาประจุในเส้นลวดเริ่มเคลื่อนที่ทีละตัวนั่นคือความเร็วของการแพร่กระจายของการเคลื่อนที่แบบแปลของตัวพาประจุ ตัวพาประจุเองมี "ความเร็วลอย" ที่กระแสตรง (พูดในสายทองแดง) เพียงไม่กี่มิลลิเมตรต่อวินาที!

มาทำให้ประเด็นนี้ชัดเจน สมมติว่าเรามีตัวเก็บประจุที่มีประจุและเราต่อสายไฟยาวจากหลอดไฟของเราที่ติดตั้งในหมู่บ้านที่ระยะทาง 100 กิโลเมตรจากตัวเก็บประจุ การต่อสายไฟคือการปิดวงจรทำได้โดยใช้สวิตช์ด้วยตนเอง

อะไรจะเกิดขึ้น? เมื่อปิดสวิตช์ อนุภาคที่มีประจุจะเริ่มเคลื่อนตัวในส่วนต่าง ๆ ของสายไฟที่เชื่อมต่อกับตัวเก็บประจุ อิเล็กตรอนออกจากแผ่นประจุลบของตัวเก็บประจุ, สนามไฟฟ้าในไดอิเล็กตริกของตัวเก็บประจุลดลง, ประจุบวกของแผ่นตรงข้าม (บวก) ลดลง — อิเล็กตรอนไหลเข้ามาจากสายที่เชื่อมต่อ

ดังนั้นความต่างศักย์ระหว่างเพลตจึงลดลงและเนื่องจากอิเล็กตรอนในสายไฟที่อยู่ติดกับตัวเก็บประจุเริ่มเคลื่อนที่ อิเล็กตรอนตัวอื่นจากที่ห่างไกลบนเส้นลวดจึงมายังที่ของพวกมัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง กระบวนการกระจายอิเล็กตรอนในสายไฟเริ่มต้นขึ้นเนื่องจากการกระทำของสนามไฟฟ้า ในวงจรปิด. กระบวนการนี้แพร่กระจายต่อไปตามเส้นลวดและไปถึงไส้หลอดไฟสัญญาณในที่สุด

ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าจึงแพร่กระจายไปตามเส้นลวดด้วยความเร็วแสง กระตุ้นอิเล็กตรอนในวงจร แต่อิเล็กตรอนเองก็เคลื่อนที่ช้ากว่ามาก

ก่อนที่เราจะไปไกลกว่านี้ ลองพิจารณาการเปรียบเทียบแบบไฮดรอลิค ให้น้ำแร่ไหลจากหมู่บ้านสู่เมืองผ่านท่อ รุ่งเช้าได้เดินเครื่องสูบน้ำในหมู่บ้านและเริ่มเพิ่มแรงดันน้ำในท่อเพื่อบังคับให้น้ำจากแหล่งหมู่บ้านไหลเข้าสู่ตัวเมืองการเปลี่ยนแปลงของแรงดันจะกระจายไปตามท่ออย่างรวดเร็วด้วยความเร็ว ประมาณ 1,400 กม. / วินาที (ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของน้ำ, จากอุณหภูมิ, จากขนาดของแรงดัน)

เพียงเสี้ยววินาทีหลังจากเปิดเครื่องสูบน้ำในหมู่บ้าน น้ำก็เริ่มไหลเข้าสู่ตัวเมือง แต่นี่คือน้ำเดียวกันกับที่ไหลผ่านหมู่บ้านในปัจจุบันหรือไม่? เลขที่! โมเลกุลของน้ำในตัวอย่างของเราผลักกันและพวกมันเองก็เคลื่อนที่ช้ากว่ามาก เนื่องจากความเร็วของการเบี่ยงเบนขึ้นอยู่กับขนาดของแรงดัน การบดขยี้โมเลกุลกันเองจะแพร่กระจายคำสั่งขนาดต่างๆ ได้เร็วกว่าการเคลื่อนที่ของโมเลกุลไปตามท่อ

ดังนั้นจึงเป็นไปตามกระแสไฟฟ้า: ความเร็วของการแพร่กระจายของสนามไฟฟ้านั้นคล้ายกับการแพร่กระจายของแรงดันและความเร็วของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ก่อตัวเป็นกระแสจะคล้ายกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของน้ำโดยตรง

ตอนนี้กลับไปที่อิเล็กตรอนโดยตรง อัตราการเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบของอิเล็กตรอน (หรือตัวพาประจุอื่นๆ) เรียกว่า อัตราดริฟท์ อิเล็กตรอนของมันได้รับจากการกระทำ สนามไฟฟ้าภายนอก. 

หากไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายภายในตัวนำด้วยการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนเท่านั้น แต่ไม่มีกระแสไฟตรง ดังนั้นความเร็วดริฟท์โดยเฉลี่ยจึงกลายเป็นศูนย์

หากใช้สนามไฟฟ้าภายนอกกับตัวนำ จากนั้นขึ้นอยู่กับวัสดุของตัวนำ มวลและประจุของพาหะประจุ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ตามความต่างศักย์ พาหะจะเริ่มเคลื่อนที่ แต่ความเร็ว ของการเคลื่อนที่นี้จะน้อยกว่าความเร็วแสงอย่างมีนัยสำคัญ ประมาณ 0.5 มม. ต่อวินาที (สำหรับลวดทองแดงที่มีหน้าตัด 1 มม. 2 ซึ่งกระแส 10 A ไหลผ่าน ความเร็วเฉลี่ยของการเลื่อนของอิเล็กตรอนจะอยู่ที่ 0.6– 6 มม. / วินาที)

ความเร็วนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของตัวพาประจุอิสระในตัวนำ n บนพื้นที่หน้าตัดของตัวนำ S บนประจุของอนุภาค e ตามขนาดของกระแส I อย่างที่คุณเห็น ความจริงที่ว่ากระแสไฟฟ้า (ด้านหน้าของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) แพร่กระจายไปตามเส้นลวดด้วยความเร็วแสง อิเล็กตรอนเองก็เคลื่อนที่ช้ากว่ามาก ปรากฎว่าความเร็วของกระแสน้ำเป็นความเร็วที่ต่ำมาก