Скорость электронов в проводнике.
Вопрос на засыпку.
При протекании постоянного тока с какой скоростью (примерно) движутся электроны в проводнике?
Проводник медный, ток — 100 мА (для тех, кто любит точность, но точно считать не обязательно).
Дополнен 14 лет назад
Имеется в виду средняя скорость в направлении протекания тока.
Лучший ответ
v=μ*E
где μ — мобильность электрона
http://ru.wikipedia.org/wiki/Подвижность_носителей_тока
в то же время σ=e*n*μ, где n — концентрация мобильных электронов, значит
v=σ/(e*n)*E
вот и посчитайте
вот тут вам оценки
http://www.eskimo.com/~billb/miscon/speed.html
8.4 см в час при тех параметрах
http://ru.wikipedia.org/wiki/Электрон
Движение электронов в металлах и полупроводниках позволяет легко переносить энергию и управлять ею; это является одной из основ современной цивилизации и используется практически повсеместно в промышленности, связи, информатике, электронике, в быту. Скорость дрейфа электронов в проводниках очень мала (~0,1-1 мм/с) , однако электрическое поле распространяется со скоростью света. В связи с этим ток во всей цепи устанавливается практически мгновенно.
fx fxМыслитель (5154) 14 лет назад
А откуда это вы взяли термин «мобильность»?
Во всей
Cheery Высший разум (200551) Я больше знаю терминов в английской трактовке.. по английски называется mobility, вот так и назвал
fx fxМыслитель (5154) 14 лет назад
Во всей русскоязычной литературе — подвижность.
Мобильность — впервые слышу.
Cheery Высший разум (200551) Читайте выше. Я занимаюсь физикой, только не в России
Остальные ответы
Для расчёта недостаточно знать только силу тока.
Нужно знать его плотность:
j = I / S = U / R S = U / r L = q / S t = n` V e / S t = n` e L / t = n` e υ
n` = z n = z N / V = z m Na / M V = z ρ Na / M — концентрация электронов в металле.
U / r L = z ρ Na e υ / M
Скорость движения электронов:
υ = U M / z r ρ F L
или u = j M / z ρ F
здесь U — напряжение, M — молярная масса, z — валентность, r — удельное электрическое сопротивление, ρ — плотность, F = e Na = 96500 Кл/моль — постоянная Фарадея, L — длина проводника.
P. S. скорость движения электронов составляет миллиметры-сантиметры в секунду.
fx fxМыслитель (5154) 14 лет назад
А любую возьмите, какая больше нравится.
Магистр Брома Мудрец (15356) Ну, к примеру, в осветительной сети сила тока не превышает 10 А. Площадь сечения провода, допустим, 1мм². Плотность тока 10^7 А/м². Молярная масса меди около 0,064 кг/моль. Валентность 2. Плотность около 8000 кг/м³. Скорость электронов: u = j M / z ρ F u = 10^7 * 0,064 / 2 * 8000 * 96500 = 4*10^-4 м/с или 0,4 мм/с
В советском учебнике физики указано, что скорость электронов в проводнике приблизительно равна скорости звука 1,2 км\сек (при комнатной температуре) и зависит от температуры проводника.
При абсолютном нуле скорость электрона тоже равна нулю.
Магистр БромаМудрец (15356) 14 лет назад
Это средняя скорость хаотического теплового движения электронов, а не упорядоченного движения, которое называется током.
Какая скорость движения электрического тока в проводнике?
Собственная скорость направленного движения электронов всего 0,1 мм/с или 0,0001 м/с. Другое дело, электромагнитная волна распространяется вдоль провода со скоростью, близкой к световой, и заставляет двигаться все электроны почти одновременно.
Остальные ответы
скорость света.
Александр R9AAA ПрокудинВысший разум (101189) 8 лет назад
а вот и нет.. всего примерно 0,1 мм/с
Не, больше. Это же зависит от напряжения. Так вот для стандартного напряжения 220 вольт скорость получается в несколько мм/сек.
300 т. км/сек.
Артём ЧупринаУченик (82) 8 лет назад
300 км/сек я правильно понял?
Сергей Просветленный (48834) Тысяч, заметьте. Что вы пишете, то-звук.
Миллиметры в секунду.
DoctoRИскусственный Интеллект (157604) 8 лет назад
А как это измерили?
Не представляю, как можно пометить электроны
Рассчитали. Я сам такое рассчитывал, еще будучи в 10м классе.
эл-магн поле — со скоростью света, электроны — с тепловой скоростью движения молекул
Смотря что в данном вопросе считать движением электрического тока.
Скорость распространения электрического тока по проводнику равна скорости распространения света, т. е. 300 000 км/сек
Несколько мм/с
Скорость распространения 300 000 км/сек. Скорость движения в проводниках не больше 1 см/с и зависит от количества Ампер и сечения проводника. В сверхпроводниках скорость движения может быть выше.
Какой смысл вопроса? Скорость электромагнитного поля ( физическая констанца) не имеет к вопросу отношения. Сам ток является скоростью электрического заряда по определению (количество электричества проходящее в единицу времени — разве не скорость). Понятие скорость тока не имеет ни какого практического применения. Если хочется можем порассуждать. Если известен закон изменения тока, то первая производная закона будет скорость тока. Если ток постоянный — скорость тока нулевая. Может вас интересует скорость носителей тока. Все рассчитывается по физическим законам (масса электрона или другого носителя, заряд частицы, напряженность электрического поля формулы и вперед).
Какая скорость электронов в проводнике больше
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.
Проектируем электрику вместе
При изучении электрического тока часто возникают трудности понимания процессов, которые происходят на атомарном уровне и недоступны нашим органам чувств — электрический ток нельзя увидеть, услышать или пощупать. Это порождает целый ряд вопросов, в частности: почему проводники нагреваются? Какова скорость электронов в проводнике и от чего она зависит? Почему, когда мы нажимаем на выключатель, лампочка загорается практически мгновенно? Попробуем вместе разобраться и ответить на эти и другие интересующие вас вопросы.
Почему лампочка загорается практически мгновенно?
Прежде всего, нужно различать и не смешивать понятия «скорость распространения электрического тока» и «скорость движения носителей заряда» — это не одно и то же.
Когда мы говорим о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеется в виду скорость распространения по проводнику электрического поля, которая примерно равна скорости света ( ≈ 300 000 км/сек) . Однако это не означает, что движение носителей зарядов в проводнике происходит с этой огромной скоростью. Совсем нет.
Движение носителей заряда (в проводнике — это свободные электроны) происходит всегда довольно медленно, со скоростью направленного дрейфа от долей миллиметра до нескольких миллиметров в секунду, поскольку электрические заряды, сталкиваясь с атомами вещества, преодолевают большее или меньшее сопротивление своему движению в электрическом поле.
Но дело в том, что свободных электронов в проводнике очень, очень много (если каждый атом меди имеет один свободный электрон, то в проводнике столько подвижных электронов, сколько и атомов меди). Свободные электроны имеются везде в электрической цепи, включая, в том числе, и нить накаливания лампочки, которая является частью этой цепи.
При присоединении проводника к источнику электрической энергии в нем распространяется электрическое поле (со скоростью, близкой к скорости света), которое начинает действовать на ВСЕ свободные электроны практически одновременно.
Поэтому мы не наблюдаем никакого запаздывания между замыканием контактов выключателя и началом свечения лампочки, находящейся за десятки или сотни километров от электростанции. Включили напряжение, свободные электроны начали движение (во всей цепи одновременно), перенесли заряд, передали кинетическую энергию атомам вольфрама (нить накаливания), последняя нагрелась до свечения — вот и светит лампочка.
В случае переменного тока для получения требуемого тепла (рассеиваемой мощности нити накаливания) направление тока не имеет значения. Свободные электроны совершают колебания в соответствии с изменениями электрического поля и переносят заряд туда-обратно. При этом электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки вольфрама, передавая им свою энергию. Это приводит к нагреву нити накаливания лампочки и ее свечению.
От чего зависит скорость дрейфа носителей зарядов?
Скорость направленного дрейфа носителей зарядов в электрическом поле пропорциональна величине электрического тока: небольшой ток означает медленную скорость потока зарядов, большой ток означает б о льшую скорость.
На скорость носителей заряда влияет также сопротивление проводника. Тонкий проводник имеет большее сопротивление, проводник большого диаметра имеет меньшее сопротивление. Соответственно, в тонком проводнике скорость потока свободных электронов будет больше, чем в толстом проводнике (при одном и том же токе).
Имеет значение и материал проводника: в алюминиевом проводнике скорость потока электронов будет больше, чем в медном проводнике такого же сечения. Это означает, кроме прочего, что один и тот же ток будет нагревать алюминиевый проводник больше, чем медный.
Тепловое действие тока
Рассмотрим природу теплового действия тока более подробно.
При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток.
Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью.
Поскольку кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается ионам кристаллической решетки при столкновении, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.
В случае переменного тока имеет место тот же эффект. С той лишь разницей, что электроны не перемещаются в одном направлении, а под действием переменного электрического поля они колеблются вперед-назад с частотой сети (50/60 Гц), оставаясь практически на месте.
При этом электроны также сталкиваются с атомами кристаллической решетки металла, передают свою кинетическую энергию и это приводит к нагреву кристаллической решетки. При достаточно больших значениях тока сильно разогретая решетка может даже потерять постоянные связи (металл начнет плавиться).