Velocità della corrente elettrica

Facciamo questo esperimento mentale. Immagina che ci sia un villaggio a una distanza di 100 chilometri dalla città e che dalla città a quel villaggio sia posata una linea di segnale lunga circa 100 chilometri con una lampadina all'estremità. Linea bipolare schermata, è posata su sostegni lungo la strada. E se ora inviamo un segnale su questa linea da una città all'altra, quanto tempo ci vorrà perché venga ricevuto lì?

I calcoli e l'esperienza ci dicono che un segnale sotto forma di lampadina apparirà all'altro capo in almeno 100/300000 secondi, cioè in almeno 333,3 μs (senza tener conto dell'induttanza del filo) nel villaggio si accenderà una luce, il che significa che si stabilirà una corrente nel filo (ad esempio, usiamo una corrente continua di condensatore carico). 

100 è la lunghezza in chilometri di ciascuna vena del nostro filo e 300.000 chilometri al secondo è la velocità della luce, la velocità di propagazione Onda elettromagnetica nel vuoto. Sì, il "moto degli elettroni" si propagherà lungo il filo alla velocità della luce.

Ma il fatto che gli elettroni inizino a muoversi uno dopo l'altro alla velocità della luce non significa affatto che gli elettroni stessi si muovano nel filo a una velocità così incredibile. Gli elettroni o gli ioni in un conduttore metallico, in un elettrolita o in un altro mezzo conduttivo non possono muoversi così velocemente, cioè i portatori di carica non si muovono l'uno rispetto all'altro alla velocità della luce.

La velocità della luce in questo caso è la velocità alla quale i portatori di carica nel filo iniziano a muoversi uno dopo l'altro, cioè è la velocità di propagazione del moto traslatorio dei portatori di carica. Gli stessi portatori di carica hanno una "velocità di deriva" alla corrente continua, diciamo in un filo di rame, di pochi millimetri al secondo!

Mettiamo in chiaro questo punto. Supponiamo di avere un condensatore carico e ad esso colleghiamo lunghi fili della nostra lampadina installata in un villaggio a una distanza di 100 chilometri dal condensatore. Il collegamento dei fili, ovvero la chiusura del circuito, viene eseguito manualmente con un interruttore.

Cosa accadrà? Quando l'interruttore è chiuso, le particelle cariche iniziano a muoversi in quelle parti dei fili che sono collegate al condensatore. Gli elettroni lasciano la piastra negativa del condensatore, il campo elettrico nel dielettrico del condensatore diminuisce, la carica positiva della piastra opposta (positiva) diminuisce - gli elettroni vi fluiscono dal filo collegato.

Pertanto, la differenza di potenziale tra le piastre diminuisce.E poiché gli elettroni nei fili adiacenti al condensatore hanno iniziato a muoversi, altri elettroni da punti distanti sul filo vengono al loro posto, in altre parole, il processo di ridistribuzione degli elettroni nel filo inizia a causa dell'azione di un campo elettrico in un circuito chiuso. Questo processo si estende ulteriormente lungo il filo e raggiunge infine il filamento della lampada di segnalazione.

Quindi la variazione del campo elettrico si propaga lungo il filo alla velocità della luce, attivando gli elettroni nel circuito. Ma gli stessi elettroni si muovono molto più lentamente.

Prima di andare oltre, consideriamo un'analogia idraulica. Lascia che l'acqua minerale scorra dal villaggio alla città attraverso un tubo. Al mattino, nel villaggio è stata avviata una pompa che ha iniziato ad aumentare la pressione dell'acqua nel tubo per costringere l'acqua dalla sorgente del villaggio a spostarsi verso la città.Il cambiamento di pressione si diffonde lungo la condotta molto rapidamente, a una velocità di circa 1400 km/s (dipende dalla densità dell'acqua, dalla sua temperatura, dall'entità della pressione).

Una frazione di secondo dopo che la pompa è stata accesa nel villaggio, l'acqua ha iniziato a scorrere verso la città. Ma è la stessa acqua che attualmente scorre nel villaggio? NO! Le molecole d'acqua nel nostro esempio si spingono a vicenda e si muovono esse stesse molto più lentamente, poiché la velocità della loro deviazione dipende dall'entità della pressione. Lo schiacciamento delle molecole l'una contro l'altra si propaga di molti ordini di grandezza più velocemente del movimento delle molecole lungo il tubo.

Così è con una corrente elettrica: la velocità di propagazione di un campo elettrico è simile alla propagazione della pressione, e la velocità di movimento degli elettroni che formano una corrente è simile al movimento delle molecole d'acqua direttamente.

Ora torniamo direttamente agli elettroni. La velocità del movimento ordinato degli elettroni (o di altri portatori di carica) è chiamata velocità di deriva. I suoi elettroni guadagnano attraverso l'azione campo elettrico esterno. 

Se non c'è campo elettrico esterno, allora gli elettroni si muovono in modo caotico all'interno del conduttore solo per movimento termico, ma non c'è corrente diretta, e quindi la velocità di deriva in media risulta essere zero.

Se ad un conduttore viene applicato un campo elettrico esterno, allora a seconda del materiale del conduttore, della massa e della carica dei portatori di carica, della temperatura, della differenza di potenziale, i portatori di carica inizieranno a muoversi, ma la velocità di questo movimento sarà significativamente inferiore alla velocità della luce, circa 0,5 mm al secondo (per un filo di rame con una sezione trasversale di 1 mm2, attraverso il quale scorre una corrente di 10 A, la velocità media di deriva dell'elettrone sarà di 0,6– 6mm/s).

Questa velocità dipende dalla concentrazione di portatori di carica liberi nel conduttore n, dall'area della sezione trasversale del conduttore S, dalla carica della particella e, dall'entità della corrente I. Come puoi vedere, nonostante il fatto che la corrente elettrica (il fronte dell'onda elettromagnetica) si propaga lungo il filo alla velocità della luce, gli stessi elettroni si muovono molto più lentamente. Si scopre che la velocità della corrente è una velocità molto bassa.