מהירות זרם חשמלי

בואו נעשה את הניסוי המחשבתי הזה. תארו לעצמכם שיש כפר במרחק של 100 ק"מ מהעיר ושקו אות תיל באורך של כ-100 ק"מ עם נורה בקצהו מונח מהעיר לאותו כפר. קו דו ליבתי מוגן, מונח על תומכים לאורך הכביש. ואם נשלח עכשיו אות על הקו הזה מעיר לכפר, כמה זמן ייקח עד שהוא יתקבל שם?

חישובים וניסיון אומרים לנו שאות בצורת נורה יופיע בקצה השני לפחות תוך 100/300000 שניות, כלומר לפחות תוך 333.3 מיקרומטר (מבלי לקחת בחשבון את השראות החוט) ב- בכפר יידלק אור, מה שאומר שייווצר זרם בחוט (לדוגמה, אנו משתמשים בזרם ישר של קבל טעון). 

100 הוא אורכו של כל וריד בחוט שלנו בקילומטרים, ו-300,000 קילומטרים לשנייה היא מהירות האור - מהירות ההתפשטות גל אלקטרומגנטי בוואקום. כן, "תנועת האלקטרונים" תתפשט לאורך החוט במהירות האור.

אבל זה שהאלקטרונים מתחילים לנוע בזה אחר זה במהירות האור לא אומר בכלל שהאלקטרונים עצמם נעים בחוט במהירות עצומה כל כך. אלקטרונים או יונים במוליך מתכת, באלקטרוליט או בתווך מוליך אחר אינם יכולים לנוע כל כך מהר, כלומר, נושאי המטען אינם זזים זה לזה במהירות האור.

מהירות האור במקרה זה היא המהירות שבה נושאי המטען בחוט מתחילים לנוע בזה אחר זה, כלומר, זוהי מהירות ההתפשטות של תנועת התרגום של נושאי המטען. לנושאי המטען עצמם יש "מהירות סחיפה" בזרם ישר, נניח בחוט נחושת, של מילימטרים בודדים לשנייה בלבד!

בואו נבהיר את הנקודה הזו. נניח שיש לנו קבל טעון ואליו אנו מחברים חוטים ארוכים מהנורה שלנו המותקנת בכפר במרחק של 100 קילומטרים מהקבל. חיבור החוטים, כלומר סגירת המעגל, מתבצע באמצעות מתג באופן ידני.

מה יקרה? כאשר המתג סגור, חלקיקים טעונים מתחילים לנוע באותם חלקים של החוטים המחוברים לקבל. אלקטרונים עוזבים את הלוח השלילי של הקבל, השדה החשמלי בדיאלקטרי של הקבל יורד, המטען החיובי של הלוח הנגדי (החיובי) יורד - אלקטרונים זורמים אליו מהחוט המחובר.

לפיכך, הפרש הפוטנציאל בין הלוחות יורד.ומכיוון שהאלקטרונים בחוטים הסמוכים לקבל החלו לנוע, מגיעים למקומם אלקטרונים אחרים ממקומות מרוחקים על החוט, במילים אחרות, תהליך הפיזור מחדש של האלקטרונים בחוט מתחיל עקב פעולת שדה חשמלי במעגל סגור. תהליך זה מתפשט הלאה לאורך החוט ולבסוף מגיע אל חוט מנורת האות.

אז השינוי בשדה החשמלי מתפשט לאורך החוט במהירות האור, מפעיל את האלקטרונים במעגל. אבל האלקטרונים עצמם נעים הרבה יותר לאט.

לפני שנמשיך הלאה, שקול אנלוגיה הידראולית. תנו למים המינרליים לזרום מהכפר לעיר דרך צינור. בבוקר הופעלה משאבה בכפר והיא החלה להגביר את לחץ המים בצנרת כדי לאלץ את המים ממקור הכפר לעבור לעיר, שינוי הלחץ מתפשט לאורך הצינור מהר מאוד, במהירות של כ-1400 קמ"ש (זה תלוי בצפיפות המים, מהטמפרטורה שלהם, מגודל הלחץ).

שבריר שנייה לאחר הפעלת המשאבה בכפר, החלו לזרום מים לעיר. אך האם מדובר באותם מים שזורמים כעת בכפר? לא! מולקולות המים בדוגמה שלנו דוחפות אחת את השנייה והן עצמן נעות הרבה יותר לאט, שכן מהירות הסטייה שלהן תלויה בגודל הלחץ. ריסוק מולקולות זו בזו מתפשט בסדרי גודל רבים מהר יותר מתנועת מולקולות לאורך הצינור.

כך זה עם זרם חשמלי: מהירות ההתפשטות של שדה חשמלי דומה להתפשטות הלחץ, ומהירות התנועה של אלקטרונים היוצרים זרם דומה לתנועה של מולקולות מים ישירות.

עכשיו בואו נחזור ישירות לאלקטרונים. קצב התנועה המסודרת של אלקטרונים (או נושאי מטען אחרים) נקרא קצב הסחיפה. האלקטרונים שלו מרוויחים באמצעות הפעולה שדה חשמלי חיצוני. 

אם אין שדה חשמלי חיצוני, אז האלקטרונים נעים בצורה כאוטי בתוך המוליך רק על ידי תנועה תרמית, אבל אין זרם מכוון, ולכן מהירות הסחף בממוצע מתבררת כאפס.

אם מופעל שדה חשמלי חיצוני על מוליך, אז בהתאם לחומר המוליך, במסה ובמטען של נושאי המטען, בטמפרטורה, בהפרש הפוטנציאל, נושאי המטען יתחילו לנוע, אבל המהירות מתנועה זו תהיה משמעותית פחות ממהירות האור, כ-0.5 מ"מ לשנייה (עבור חוט נחושת עם חתך רוחב של 1 מ"מ, שדרכו זורם זרם של 10 A, המהירות הממוצעת של סחיפת האלקטרונים תהיה 0.6– 6 מ"מ לשנייה).

מהירות זו תלויה בריכוז נושאי המטען החופשי במוליך n, בשטח החתך של המוליך S, במטען של החלקיק e, בגודל הזרם I. כפי שניתן לראות, למרות העובדה שהזרם החשמלי (החזית של הגל האלקטרומגנטי) מתפשט לאורך החוט במהירות האור, האלקטרונים עצמם נעים הרבה יותר לאט. מסתבר שמהירות הזרם היא מהירות נמוכה מאוד.