Rychlost elektrického proudu a rychlost pohybu nosičů náboje

Představme si velmi dlouhý proudový okruh, například telegrafní vedení mezi dvěma městy oddělenými od sebe řekněme 1000 km. Pečlivé experimenty ukazují, že účinky proudu ve druhém městě se začnou projevovat, to znamená, že elektrony ve vodičích, které se tam nacházejí, se začnou pohybovat přibližně sekund poté, co začal jejich pohyb po drátech v prvním městě. Často se ne příliš striktně, ale velmi jasně říká, že proud prochází dráty rychlostí 300 000 km/s.

To však neznamená, že k pohybu nosičů náboje ve vodiči dochází touto obrovskou rychlostí, takže elektron nebo iont, který byl v našem příkladu v prvním městě, dosáhne druhého během několika sekund. vůbec ne. Pohyb nosičů ve vodiči probíhá téměř vždy velmi pomalu, rychlostí několika milimetrů za sekundu a často i menší. Vidíme proto, že musíme pečlivě rozlišovat a nezaměňovat pojmy „aktuální rychlost“ a „rychlost nosičů náboje“.

Abychom pochopili, co vlastně máme na mysli, když mluvíme o „aktuální rychlosti“, vraťme se znovu k experimentu s periodickým nabíjením a vybíjením kondenzátoru, který je znázorněn na obr. 70, ale představme si, že vodiče na pravé straně tohoto obrázku, kterými se vybíjí kondenzátor, jsou velmi dlouhé, takže žárovka nebo přístroj pro detekci proudu je od kondenzátoru vzdálen řekněme tisíc kilometrů. . Ve chvíli, kdy otočíme klíčkem doprava, začne pohyb elektronů v úsecích vodičů přiléhajících ke kondenzátoru. Elektrony začnou odtékat ze záporné desky; současně by se měl vlivem indukce snižovat i kladný náboj na desce, tj. elektrony by měly proudit na desku ze sousedních úseků drátu: náboj na deskách a rozdíl potenciálů mezi nimi se začíná snižovat.

Ale pohyb elektronů, ke kterému dochází v úsecích vodičů přímo sousedících s deskami kondenzátoru, vede ke vzniku dalších elektronů (v oblasti kolem ) nebo ke snížení jejich počtu (v oblasti kolem ). Toto přerozdělení elektronů mění elektrické pole v sousedních úsecích obvodu a tam také začíná pohyb elektronů. Tento proces zachycuje stále nové a nové úseky obvodu, a když konečně začne pohyb elektronů ve vlasech vzdálené žárovky, projeví se to ve vláknu vlasu (záblesk). Je jasné, že zcela podobné jevy nastávají při zapnutí libovolného generátoru proudu.

Pohyb nábojů, který začíná na jednom místě změnou elektrického pole, se tak šíří celým obvodem. Do tohoto pohybu jsou vtahovány jeden po druhém, stále vzdálenější nosiče náboje a tento přenos účinku z jednoho náboje na druhý probíhá obrovskou rychlostí (asi 300 000 km/s). Jinak můžeme říci, že elektrické působení je přenášeno z jednoho bodu v obvodu do druhého touto rychlostí, nebo že změna elektrického pole, ke které dochází v některém bodě obvodu, se šíří podél vodičů touto rychlostí.

Rychlost, kterou pro stručnost nazýváme „rychlost proudu“, je tedy rychlost šíření změn elektrického pole podél vodiče, a už vůbec ne rychlost pohybu nosičů náboje v něm.

Pojďme si to vysvětlit mechanickou analogií. Představme si, že dvě města jsou propojena ropovodem a že v jednom z těchto měst začalo fungovat čerpadlo zvyšující tlak ropy v daném místě. Tento zvýšený tlak se bude šířit kapalinou v potrubí vysokou rychlostí – asi kilometr za sekundu. Částice se tedy začnou za sekundu pohybovat ve vzdálenosti řekněme 1 km od pumpy, po dvou sekundách – ve vzdálenosti 2 km, za minutu – ve vzdálenosti 60 km atd. za čtvrt hodiny začne z potrubí ve druhém městě vytékat ropa. Pohyb samotných olejových částic však nastává mnohem pomaleji a může uplynout několik dní, než se nějaké konkrétní olejové částice dostanou z prvního města do druhého. Vrátíme-li se k elektrickému proudu, musíme říci, že „rychlost proudu“ (rychlost šíření elektrického pole) je podobná rychlosti šíření tlaku ropovodem a „rychlost nosičů“ je podobná rychlosti pohybu částic samotného oleje.