Скорость электронов в проводнике из меди под действием электрического поля

С какой скоростью распространяется электрический ток по проводам? Есть ли разница из чего провод — медь, алюминий?

Вот именно распространяется — со скоростью света в этом проводнике.
Т. е. замкнув цепь где-то на Земле, получим электрический импульс на Луне через секунду с копейками.
Но скорость движения носителей заряда составляет миллиметры в секунду; и это зависит от проводника.

P.S. Плотность тока: j = I/S = neV, где n = N/(LS) — концентрация электронов (количество в единице объёма проводника) , e — заряд электрона.
Отсюда находим скорость: V = j/(ne).
Т. к. ток по закону Ома: I = U/R, а сопротивление: R = ρL/S, то I = US/(ρL) и j = U/(ρL).
Подставляем j в формулу скорости (учитывая, что 1/ρ = σ и выражение для n): V = U/(nρLe) = USσ/Q.
Здесь U — напряжение, S — поперечное сечение проводника, σ — его удельная проводимость, Q = Ne — свободный заряд в проводнике (для металлов ne порядка 10^10 Кл/м³).
При напряжении U = 1000 В для медного σ = 5,8*10^7 См/м проводника длиной L = 10 км = 10^4 м и сечением S = 1 см² = 10^-4 м² скорость движения электронов под действием тока составляет примерно 0,6 мм/с.

Остальные ответы
с скоростью света. разницы практически нет
Асимптотически приближается к скорости света.

со скоростью света
.
а разница конечно есть, идеальный проводник это золото, но делать золотые провода никто не будет.

Картофельный папаИскусственный Интеллект (400216) 11 лет назад
Золото один из худших проводников. По проводимости междумедью и алюминием.
АРТЁМ . Профи (934) извиняясь, имел ввиду серебро.
Alexandr ЫыхПросветленный (23527) 11 лет назад

Немного дополню.
Скорость распространения сильно зависит не столько от проводника, а больше от диэлектрика в котором находится проводники. Например в коаксиальных кабелях заполненных сплошным полиэтиленом, скорость распространения электрического сигнала меньше раза в полтора чем в ваккууме.

И еще, если вдруг вопрос не о том с какой скоростью распространяется сигнал, а о том с какой скоростью движутся электроны в проводнике, то это порядка миллиметры в секунду, довольно маленькая.

А вот и не со скоростью света. И разница есть.

Во-первых, чистота металла. Есть разница между идеальной кристаллической решеткой, и рваными кусками решетки, между которыми вклинивается какая-нибудь сера.
Во вторых, ток в металле — это направленное движение электронов. Электрон имеет массу, разогнать его до скорости света не реально. Да и не до скорости света тоже какое-то время на «разгон» ему понадобится.
В третьих, есть еще индуктивность, которая препятствует изменению тока.

Так что если считать скоростью распространения электрического ТОКА по проводам среднюю скорость движения электронов — то никакой скорость света там и рядом не стояло.

НАПРЯЖЕНИЕ в проводе передаётся действительно со скоростью, близкой к скорости света.. . но не в вакууме, а в среде. Для информационных кабелей нормальным показателем считает 0.7 скорости света, у лучших кабелей — 0.8.

Максим МолотковУченик (243) 7 лет назад

Вы рассуждаете о невозможности движения эл тока со скоростью света, пользуясь теми моделями, которые распространены в физике в настоящий момент. А эти модели весьма убогие. Убогость моделей проявляется именно в таких феноменах, как описано выше. В настоящее время накопилось огромное число феноменов, ставящих под сомнение постулаты классической физики. Я уж не говорю о физике квантовой. Просто их игнорируют по понятным причинам.
Поэтому не стоит рассуждать о непонятных явлениях, пользуясь постулатами классической физики.

Почти все ответы верные — кроме одного — по поводу разгона электронов до световой скорости. Это недоразумение: при 220 В и «бытовых» токах электронеы движутся по проводам со скоростью несколько миллиметров в секунду (это нетрудно посчитать).

Скорость эл. тока в металлах определяется их проводимостью и силой тока. Порядок — несколько мм/сек. Скорость распространения изменения электрического тока в металлах равна скорости звука в плазме свободных электронов металла. Порядок 10^5 — 2х10^5 км/сек. При этом нужно помнить, что данная плазма является кулоновским газом и ф-лы Ньютона — Лапласа не работают. Лучшие работы в этой области у А. А. Власова.

Какая средняя скорость электронов?

Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!

Важная информация

Мы разместили cookie-файлы на ваше устройство, чтобы помочь сделать этот сайт лучше. Вы можете изменить свои настройки cookie-файлов, или продолжить без изменения настроек.

Самостоятельная работа № 3

1 Одинаковым ли будет относительное изменение удельного сопротивления меди для двух температурных интервалов: 0 ÷ 100°С и 100 ÷ 200°С (по отношению к начальному значению в каждом из этих интервалов)?

2 К медной проволоке длиной 6 м и диаметром 0,56 мм приложено напряжение 0,1 В. Сколько электронов пройдет через проводник за 10 с, если удельное сопротивление меди равно 0,017 мкОм·м?

3 Углеродистый резистор и проволочный резистор, изготовленный из нихрома, имеют одинаковое номинальное сопротивление, равное 100 Ом. Резисторы соединены параллельно и включены под напряжением 50 В. Одинаковая ли мощность будет выделяться в этих резисторах? Поясните свой ответ.

4 В медном проводнике под действием электрического поля проходит электрический ток плотностью 1 А/мм 2 . Определить скорость дрейфа электронов, если плотность меди 8,92·10 3 кг/м 3 . При расчете полагать, что на каждый атом кристаллической решетки приходится один электрон.

5 Один спай термопары помещен в печь с температурой 200°С, другой при температуре 20°С. Вольтметр показывает при этом термоЭДС, равную 1,8 мВ. Чему равна ЭДС, если второй конец помещен в сосуд:

а) с тающим льдом;

б)с кипящей водой.

Относительную термоЭДС во всем температурном диапазоне 0÷200°С считать постоянной.

6 К графитовому стержню длиной 0,2 м приложено напряжение 6 В. Определить плотность тока в стержне в первый момент после подачи напряжения, если удельное сопротивление графита 4·10 -4 Ом·м. Как и почему меняется плотность тока в стержне со временем?

7 Почему металлы в газообразном состоянии являются электроизоляционными материалами?

8 Вычислить удельное сопротивление металлического проводника, имеющего плотность 970 кг/м 3 и молярную массу 0,023 кг/моль, если известно, что средняя скорость дрейфа электрона в электрическом поле напряженностью 0,1 В/м составляет 5·10 -4 м/с. Можно полагать, что на каждый атом кристаллической решетки приходится один электрон.

9 Являются ли сверхпроводники всегда проводящими?

10 При нагревании провода из манганина длиной 1,5 м и диаметром 0,1 мм от 20 до 100°С его сопротивление уменьшается на 0,07 Ом, а длина возрастает на 0,16%. Определить температурный коэффициент удельного со противления.

11 Удельное сопротивление чистой меди при 20°С и 100°С равно соответственно 0,0168 и 0,0226 мкОм·м. Пользуясь линейной аппроксимацией зависимости ρ(Т) определить температурный коэффициент удельного сопротивления.

12 Удельное сопротивление серебра при комнатной температуре равно 0,015 мкОм·м, а α_ρ = 4,1·10 -3 К -1 . Определить, как и во сколько раз изменится длина свободного пробега при нагревании от 300 до 1000 К.

13 В сердечнике трансформатора магнитные потери на гистерезис и на вихревые токи при частоте 2 кГц равны и составляют 2 Вт/кг. Определить суммарные удельные магнитные потеря в сердечнике трансформатора на частоте 400 Гц, если максимальная магнитная индукция в сердечнике осталась неизменной.

14 В сердечнике трансформатора суммарные удельные потери на гистерезис и на вихревые токи при частотах 1 кГц и 2 кГц составляют соответственно 2 и 6 Вт/кг (при неизменной максимальной магнитной индукции в сердечнике). Рассчитать магнитные потери на вихревые токи в сердечнике на частоте 2 кГц.

1 Антипов Б.Л., Сорокин В.С., Терехов В.А. Материалы электронной техники. Задачи и вопросы. — М.: Высшая школа, 1990.

2 Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. — М.: Металлургия, 1988.

3 Материалы микроэлектронной техники / Под ред. проф. Б.М.Андреева. — М.: Радио и связь, 1989.

4 Пасынков В.В. Материалы электронной техники. — М.: Высшая школа, 1980.

5 Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. — М.: Высшая школа, 1986.

Скорость электронов в проводнике: правила и формула расчета

Электрический ток прочно вошел в нашу повседневную жизнь. Однако мало кто задумывается о том, как именно движутся электроны в проводниках, обеспечивая работу всей электроники. Давайте разберемся, от чего зависит скорость электронов в проводнике и как ее можно рассчитать. Это поможет лучше понять принципы работы электрических цепей.

Природа электрического тока в проводниках

Электрический ток возникает благодаря упорядоченному движению электрически заряженных частиц. В металлах такими частицами являются электроны. Давайте разберемся, как устроены электроны и как они движутся в проводнике.

Свойства электронов

Электрон — элементарная частица, имеющая отрицательный электрический заряд. Электроны вращаются вокруг ядра атома и образуют электронную оболочку. Их масса составляет 9,1*10-31 кг.

В металлах, в отличие от диэлектриков, часть электронов может свободно перемещаться между атомами. Эти так называемые «свободные электроны» играют ключевую роль в возникновении электрического тока.

Паяльник фото

Роль электрического поля

Движущей силой, заставляющей электроны двигаться в определенном направлении, является электрическое поле. Оно возникает при наличии разности электрических потенциалов. Электрическое поле ускоряет электроны в направлении уменьшения потенциала.

Так, при подключении проводника к источнику напряжения, например батарейке, в нем возникает электрическое поле. Под его действием электроны начинают двигаться и создают электрический ток.

Упорядоченное и хаотичное движение

Без электрического поля электроны в проводнике движутся хаотично в разных направлениях. При включении поля они приобретают некоторую упорядоченность в движении.

Однако столкновения между электронами и атомами по-прежнему происходят, замедляя общее движение. Поэтому скорость упорядоченного движения электронов в проводнике невелика.

Ученый в лаборатории

Носители заряда в разных средах

В металлах носителями электрического заряда, как уже упоминалось, являются электроны. Однако в других средах ток может переноситься и другими частицами. Например:

В электролитах — ионами
В газах — ионами и электронами
В вакууме — электронами
В полупроводниках — электронами и «дырками»

Таким образом, природа электрического тока в разных материалах может существенно различаться. Далее речь пойдет о металлических проводниках, где носителями заряда служат электроны.

Скорость упорядоченного движения электронов в металлах

Как было сказано выше, под действием электрического поля электроны в металле приобретают некоторую упорядоченность движения. Рассмотрим факторы, которые влияют на величину скорости такого движения.

Зависимость от приложенного напряжения

Чем большее напряжение приложено к проводнику, тем сильнее в нем возникающее электрическое поле. А значит, электроны будут ускоряться до больших скоростей.

Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов прямо пропорциональна приложенной разности потенциалов, или напряжению.

Концентрация свободных электронов

В разных металлах концентрация свободных электронов может сильно различаться. Чем больше свободных электронов в единице объема, тем чаще они сталкиваются друг с другом.

А столкновения замедляют направленное движение электронов. Поэтому в металлах с высокой концентрацией свободных электронов скорость их упорядоченного движения ниже.

Другие факторы

На скорость электронов также влияют температура проводника, его поперечное сечение, наличие магнитного поля и другие условия. Эти факторы будут рассмотрены далее.

Порядок величины скорости

Несмотря на все перечисленные факторы, средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках достаточно мала. Обычно она составляет порядка нескольких миллиметров в секунду.

Для сравнения, скорость распространения электромагнитного поля в проводнике близка к скорости света и составляет около 300 000 км/с!

Таким образом, несмотря на «медленное ползание» электронов, электрический ток фактически распространяется практически мгновенно. Это важно учитывать при расчетах электрических цепей.

Формула для расчета средней скорости электронов в проводнике

Для расчета средней скорости упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике используется следующая формула:

v_drift — средняя скорость дрейфа электронов, м/с
I — сила тока, А
e — заряд электрона, Кл
n — концентрация электронов, м -3
A — площадь поперечного сечения провода, м 2

Разбор параметров

Давайте разберемся, что означает каждый параметр в этой формуле и как он влияет на конечный результат:

Сила тока I — чем выше ток в проводнике, тем быстрее в среднем движутся электроны
Заряд электрона e — константа, равная 1,6*10 -19 Кл
Концентрация электронов n — чем она выше, тем меньше скорость из-за частых столкновений
Площадь сечения A — при большем сечении скорость электронов ниже

Пример расчета

Рассчитаем среднюю скорость движения электронов в медном проводе сечением 1 мм2, по которому протекает ток 2 А. Концентрация электронов в меди порядка 1029 м-3. Подставляем значения в формулу:

Получаем, что скорость составляет порядка 10-4 м/с, то есть сотые доли миллиметра в секунду. Как видно, это очень маленькая величина.

Применение формулы на практике

Формула для расчета скорости электронов в проводнике позволяет:

Выбрать оптимальное сечение проводов в электрических цепях;
Оценить величину потерь энергии на нагрев проводника;
Спрогнозировать электромагнитные процессы в проводнике;
Объяснить различные эффекты, связанные с движением электронов.

Однако следует помнить, что эта формула дает лишь приближенную оценку средней скорости. Реальные процессы в проводниках гораздо сложнее.

Факторы, влияющие на скорость электронов

Помимо параметров, учтенных в формуле, на скорость упорядоченного движения электронов влияют и другие факторы.

Материал проводника

Разные металлы имеют неодинаковую концентрацию свободных электронов. Например, в серебре она выше, чем в меди. Соответственно, в серебре скорость электронов ниже.

Температура

При нагреве проводника скорость движения электронов уменьшается из-за более интенсивных тепловых колебаний решетки.

Тип тока

При постоянном токе движение электронов более упорядоченное. Переменный ток увеличивает хаотичность.

Магнитное поле

Магнитное поле отклоняет электроны в сторону от направления тока, замедляя прямолинейное движение.

Учет всех эффектов позволяет точнее описывать поведение электронов в реальных условиях.