Rychlost elektrického proudu

Udělejme tento myšlenkový experiment. Představte si, že ve vzdálenosti 100 kilometrů od města je vesnice a že z města do této vesnice je položeno drátové signální vedení dlouhé asi 100 kilometrů s žárovkou na konci. Stíněné dvoužilové vedení, je položeno na podpěrách podél silnice. A když nyní vyšleme signál po tomto vedení z města do vesnice, jak dlouho bude trvat, než se tam dostane?

Výpočty a zkušenosti nám říkají, že signál v podobě žárovky se na druhém konci objeví minimálně za 100/300000 sekund, tedy minimálně za 333,3 μs (bez zohlednění indukčnosti drátu) v vesnice se rozsvítí kontrolka, což znamená, že se v drátu vytvoří proud (např. používáme stejnosměrný proud nabitý kondenzátor). 

100 je délka každé žíly v našem drátu v kilometrech a 300 000 kilometrů za sekundu je rychlost světla – rychlost šíření elektromagnetická vlna ve vakuu. Ano, "pohyb elektronů" se po drátu bude šířit rychlostí světla.

Ale to, že se elektrony začnou pohybovat jeden po druhém rychlostí světla, vůbec neznamená, že se samotné elektrony v drátu pohybují tak ohromnou rychlostí. Elektrony nebo ionty v kovovém vodiči, v elektrolytu nebo v jiném vodivém prostředí se nemohou pohybovat tak rychle, to znamená, že nosiče náboje se vůči sobě nepohybují rychlostí světla.

Rychlost světla je v tomto případě rychlost, kterou se začnou pohybovat nosiče náboje v drátu jeden po druhém, to znamená, že jde o rychlost šíření translačního pohybu nosičů náboje. Samotné nosiče náboje mají "driftovou rychlost" při stejnosměrném proudu, řekněme v měděném drátu, pouze několik milimetrů za sekundu!

Ujasněme si tento bod. Řekněme, že máme nabitý kondenzátor a k němu připojíme dlouhé dráty z naší žárovky instalované ve vesnici ve vzdálenosti 100 kilometrů od kondenzátoru. Připojení vodičů, to znamená uzavření obvodu, se provádí spínačem ručně.

Co se bude dít? Když je spínač sepnutý, nabité částice se začnou pohybovat v těch částech vodičů, které jsou připojeny ke kondenzátoru. Elektrony opouštějí zápornou desku kondenzátoru, elektrické pole v dielektriku kondenzátoru klesá, kladný náboj protější (kladné) desky klesá — proudí do ní elektrony z připojeného vodiče.

Rozdíl potenciálů mezi deskami se tak zmenšuje.A protože se elektrony v vodičích sousedících s kondenzátorem začaly pohybovat, na jejich místa přicházejí další elektrony ze vzdálených míst na vodiči, jinými slovy začíná proces redistribuce elektronů ve vodiči v důsledku působení elektrického pole. v uzavřeném okruhu. Tento proces se šíří dále podél drátu a nakonec dosáhne vlákna signální žárovky.

Takže změna elektrického pole se šíří podél drátu rychlostí světla a aktivuje elektrony v obvodu. Ale samotné elektrony se pohybují mnohem pomaleji.

Než půjdeme dále, zvažte hydraulickou analogii. Minerální vodu nechte z vesnice do města odtékat potrubím. Ráno bylo v obci spuštěno čerpadlo a začalo zvyšovat tlak vody v potrubí, aby donutilo vodu z vesnického zdroje přesunout se do města Změna tlaku se šíří potrubím velmi rychle, rychlostí asi 1400 km/s (záleží na hustotě vody, na její teplotě, na velikosti tlaku).

Zlomek vteřiny po zapnutí čerpadla v obci se voda začala stahovat do města. Je to ale stejná voda, která v současnosti protéká vesnicí? Ne! Molekuly vody v našem příkladu se navzájem tlačí a samy se pohybují mnohem pomaleji, protože rychlost jejich odchylky závisí na velikosti tlaku. Drcení molekul proti sobě se šíří o mnoho řádů rychleji než pohyb molekul po trubici.

Tak je to s elektrickým proudem: rychlost šíření elektrického pole je podobná šíření tlaku a rychlost pohybu elektronů, které tvoří proud, je podobná pohybu přímo molekul vody.

Nyní se vraťme přímo k elektronům. Rychlost uspořádaného pohybu elektronů (nebo jiných nosičů náboje) se nazývá rychlost driftu. Jeho elektrony působením získávají vnější elektrické pole. 

Pokud neexistuje žádné vnější elektrické pole, pak se elektrony chaoticky pohybují uvnitř vodiče pouze tepelným pohybem, ale neexistuje žádný směrovaný proud, a proto se rychlost driftu v průměru ukáže jako nulová.

Pokud na vodič působí vnější elektrické pole, pak v závislosti na materiálu vodiče, na hmotnosti a náboji nosičů náboje, na teplotě, na rozdílu potenciálů se nosiče náboje začnou pohybovat, ale rychlost tohoto pohybu bude výrazně menší než rychlost světla, asi 0,5 mm za sekundu (u měděného drátu o průřezu 1 mm2, kterým protéká proud 10 A, bude průměrná rychlost driftu elektronů 0,6– 6 mm/s).

Tato rychlost závisí na koncentraci volných nosičů náboje ve vodiči n, na ploše průřezu vodiče S, na náboji částice e, na velikosti proudu I. Jak vidíte, navzdory tím, že se elektrický proud (přední strana elektromagnetické vlny) šíří po drátu rychlostí světla, samotné elektrony se pohybují mnohem pomaleji. Ukazuje se, že rychlost proudu je velmi nízká.