Hitrost električnega toka

Izvedimo ta miselni poskus. Predstavljajte si, da je 100 kilometrov oddaljena vas od mesta in da je od mesta do te vasi napeljana okoli 100 kilometrov dolga žična signalna napeljava z žarnico na koncu. Oklopljeni dvožilni vod, položen na nosilce ob cestišču. In če zdaj pošljemo signal po tej liniji od mesta do vasi, koliko časa bo trajalo, da bo tam sprejet?

Izračuni in izkušnje nam povedo, da se bo signal v obliki žarnice na drugem koncu pojavil v najmanj 100/300000 sekundah, torej v najmanj 333,3 μs (brez upoštevanja induktivnosti žice) v vasi se bo prižgala lučka, kar pomeni, da se bo v žici vzpostavil tok (uporabljamo npr. nabit kondenzator). 

100 je dolžina vsake žile v naši žici v kilometrih, 300.000 kilometrov na sekundo pa je svetlobna hitrost – hitrost širjenja elektromagnetno valovanje v vakuumu. Da, "gibanje elektronov" se bo širilo po žici s svetlobno hitrostjo.

Toda dejstvo, da se začnejo elektroni drug za drugim gibati s svetlobno hitrostjo, sploh ne pomeni, da se sami elektroni gibljejo v žici s tako velikansko hitrostjo. Elektroni ali ioni v kovinskem prevodniku, v elektrolitu ali v drugem prevodnem mediju se ne morejo premikati tako hitro, to pomeni, da se nosilci naboja med seboj ne premikajo s svetlobno hitrostjo.

Svetlobna hitrost je v tem primeru hitrost, s katero se nosilci naboja v žici začnejo premikati drug za drugim, torej je to hitrost širjenja translacijskega gibanja nosilcev naboja. Sami nosilci naboja imajo "driftno hitrost" pri enosmernem toku, recimo v bakreni žici, le nekaj milimetrov na sekundo!

Naj pojasnimo to točko. Recimo, da imamo napolnjen kondenzator in nanj priklopimo dolge žice iz naše žarnice, nameščene v vasi, ki je od kondenzatorja oddaljena 100 kilometrov. Priključitev žic, to je zapiranje tokokroga, se izvede s stikalom ročno.

Kaj se bo zgodilo? Ko je stikalo zaprto, se začnejo nabiti delci premikati v tistih delih žic, ki so povezani s kondenzatorjem. Elektroni zapustijo negativno ploščo kondenzatorja, električno polje v dielektriku kondenzatorja se zmanjša, pozitivni naboj nasprotne (pozitivne) plošče se zmanjša - vanjo tečejo elektroni iz povezane žice.

Tako se potencialna razlika med ploščama zmanjša.In ker so se elektroni v žicah, ki mejijo na kondenzator, začeli premikati, drugi elektroni iz oddaljenih krajev na žici pridejo na njihova mesta, z drugimi besedami, začne se proces prerazporeditve elektronov v žici zaradi delovanja električnega polja v zaprtem krogu. Ta proces se širi naprej po žici in končno doseže žarilno nitko signalne svetilke.

Tako se sprememba električnega polja širi po žici s svetlobno hitrostjo in aktivira elektrone v vezju. Toda sami elektroni se premikajo veliko počasneje.

Preden gremo naprej, razmislimo o hidravlični analogiji. Naj teče mineralna voda iz vasi v mesto po cevi. Zjutraj so v vasi zagnali črpalko, ki je začela povečevati pritisk vode v cevi, da bi prisilila vodo iz vaškega izvira v mesto.Sprememba tlaka se širi po cevovodu zelo hitro, s hitrostjo okoli 1400 km/s (odvisno od gostote vode, od njene temperature, od velikosti tlaka).

Delček sekunde po vklopu črpalke v vasi je voda začela teči v mesto. Toda ali je to ista voda, ki trenutno teče skozi vas? ne! Molekule vode v našem primeru se potiskajo, same pa se gibljejo veliko počasneje, saj je hitrost njihovega odstopanja odvisna od velikosti tlaka. Zdrobitev molekul druga ob drugo se širi veliko vrst velikosti hitreje kot gibanje molekul vzdolž cevi.

Tako je tudi z električnim tokom: hitrost širjenja električnega polja je podobna širjenju tlaka, hitrost gibanja elektronov, ki tvorijo tok, pa je podobna gibanju molekul vode neposredno.

Zdaj pa se vrnimo neposredno k elektronom. Hitrost urejenega gibanja elektronov (ali drugih nosilcev naboja) se imenuje hitrost drifta. Njegovi elektroni pridobijo z delovanjem zunanje električno polje. 

Če zunanjega električnega polja ni, se elektroni kaotično gibljejo znotraj prevodnika samo s toplotnim gibanjem, vendar ni usmerjenega toka, zato se povprečna hitrost odnašanja izkaže za nič.

Če na prevodnik deluje zunanje električno polje, se bodo nosilci naboja začeli premikati, odvisno od materiala prevodnika, mase in naboja nosilcev naboja, temperature, potencialne razlike, vendar hitrost tega gibanja bo bistveno manjša od svetlobne hitrosti, okoli 0,5 mm na sekundo (za bakreno žico s presekom 1 mm2, po kateri teče tok 10 A, bo povprečna hitrost drifta elektronov 0,6– 6 mm/s).

Ta hitrost je odvisna od koncentracije prostih nosilcev naboja v prevodniku n, od površine prečnega prereza prevodnika S, od naboja delca e, od velikosti toka I. Kot lahko vidite, kljub dejstvo, da se električni tok (fronta elektromagnetnega valovanja) po žici širi s svetlobno hitrostjo, se sami elektroni gibljejo veliko počasneje. Izkazalo se je, da je hitrost toka zelo nizka.