विद्युत प्रवाहाचा वेग

हा विचारप्रयोग करूया. कल्पना करा की शहरापासून 100 किलोमीटर अंतरावर एक गाव आहे आणि त्या शहरापासून त्या गावापर्यंत सुमारे 100 किलोमीटर लांबीची एक बल्ब असलेली वायर सिग्नल लाइन टाकली आहे. एक ढाल असलेली दोन-कोर लाइन, ती रस्त्याच्या कडेला आधारांवर घातली आहे. आणि आता जर आपण या मार्गावरून शहरातून गावापर्यंत सिग्नल पाठवला, तर तो तेथे येण्यास किती वेळ लागेल?

आकडेमोड आणि अनुभव आम्हाला सांगतात की लाइट बल्बच्या स्वरूपात सिग्नल दुसऱ्या टोकाला किमान 100/300000 सेकंदात, म्हणजेच किमान 333.3 μs मध्ये (वायरचा इंडक्टन्स विचारात न घेता) दिसेल. गावात एक प्रकाश येईल, याचा अर्थ वायरमध्ये विद्युत प्रवाह स्थापित होईल (उदाहरणार्थ, आम्ही थेट प्रवाह वापरतो चार्ज केलेला कॅपेसिटर). 

100 म्हणजे आपल्या वायरमधील प्रत्येक शिराची लांबी किलोमीटरमध्ये आणि 300,000 किलोमीटर प्रति सेकंद हा प्रकाशाचा वेग-प्रसाराचा वेग आहे. इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहर व्हॅक्यूम मध्ये. होय, "इलेक्ट्रॉनची गती" वायरच्या बाजूने प्रकाशाच्या वेगाने प्रसारित होईल.

परंतु इलेक्ट्रॉन एकामागून एक प्रकाशाच्या वेगाने फिरू लागतात याचा अर्थ असा नाही की इलेक्ट्रॉन स्वतः वायरमध्ये इतक्या प्रचंड वेगाने फिरत आहेत. इलेक्ट्रॉन्स किंवा आयन धातूच्या कंडक्टरमध्ये, इलेक्ट्रोलाइटमध्ये किंवा अन्य प्रवाहकीय माध्यमात इतक्या वेगाने फिरू शकत नाहीत, म्हणजेच चार्ज वाहक प्रकाशाच्या वेगाने एकमेकांच्या सापेक्ष हालचाल करत नाहीत.

या प्रकरणात प्रकाशाचा वेग हा वायरमधील चार्ज वाहक एकामागून एक हलण्यास सुरुवात करणारा वेग आहे, म्हणजेच चार्ज वाहकांच्या अनुवादित गतीच्या प्रसाराचा वेग आहे. प्रभार वाहकांचा स्वतःच थेट प्रवाहावर "ड्रिफ्ट वेग" असतो, तांब्याच्या तारेमध्ये, प्रति सेकंद फक्त काही मिलिमीटर!

चला हा मुद्दा स्पष्ट करूया. समजा आमच्याकडे चार्ज केलेला कॅपेसिटर आहे आणि त्याला आम्ही कॅपेसिटरपासून १०० किलोमीटर अंतरावर असलेल्या गावात लावलेल्या आमच्या लाइट बल्बच्या लांब तारा जोडतो. तारा जोडणे, म्हणजेच सर्किट बंद करणे, स्वहस्ते स्विचसह केले जाते.

काय होईल? जेव्हा स्विच बंद असतो, तेव्हा कॅपेसिटरला जोडलेल्या तारांच्या त्या भागांमध्ये चार्ज केलेले कण फिरू लागतात. इलेक्ट्रॉन्स कॅपेसिटरची नकारात्मक प्लेट सोडतात, कॅपेसिटरच्या डायलेक्ट्रिकमधील विद्युत क्षेत्र कमी होते, विरुद्ध (सकारात्मक) प्लेटचा सकारात्मक चार्ज कमी होतो - कनेक्ट केलेल्या वायरमधून इलेक्ट्रॉन त्यामध्ये वाहतात.

अशा प्रकारे, प्लेट्समधील संभाव्य फरक कमी होतो.आणि कॅपेसिटरला लागून असलेल्या तारांमधील इलेक्ट्रॉन्स हलू लागल्यापासून वायरवरील दूरच्या ठिकाणचे इतर इलेक्ट्रॉन त्यांच्या जागी येतात, दुसऱ्या शब्दांत, विद्युत क्षेत्राच्या क्रियेमुळे वायरमधील इलेक्ट्रॉनच्या पुनर्वितरणाची प्रक्रिया सुरू होते. बंद सर्किट मध्ये. ही प्रक्रिया वायरच्या बाजूने पुढे पसरते आणि शेवटी सिग्नल दिव्याच्या फिलामेंटपर्यंत पोहोचते.

त्यामुळे विद्युत क्षेत्रामध्ये होणारा बदल वायरच्या बाजूने प्रकाशाच्या वेगाने पसरतो, सर्किटमधील इलेक्ट्रॉन सक्रिय करतो. परंतु इलेक्ट्रॉन स्वतःच जास्त हळू हलतात.

आम्ही पुढे जाण्यापूर्वी, हायड्रॉलिक सादृश्य विचारात घ्या. खेड्यापाड्यातून मिनरल वॉटर पाईपद्वारे शहरात जाऊ द्या. सकाळी गावात एक पंप सुरू करण्यात आला आणि तो पाइपमधील पाण्याचा दाब वाढवून खेड्यातील स्त्रोतातील पाणी शहराकडे नेण्यास भाग पाडू लागला. दाबातील बदल पाइपलाइनच्या बाजूने वेगाने पसरतो. सुमारे 1400 किमी/से (ते पाण्याच्या घनतेवर, तापमानावर, दाबाच्या विशालतेवर अवलंबून असते).

गावात पंप सुरू झाल्यानंतर काही सेकंदात पाणी शहरात जाऊ लागले. पण हेच पाणी सध्या गावातून वाहत आहे का? नाही! आमच्या उदाहरणातील पाण्याचे रेणू एकमेकांना ढकलतात आणि ते स्वतःच जास्त हळू हलतात, कारण त्यांच्या विचलनाचा वेग दबावाच्या विशालतेवर अवलंबून असतो. रेणू एकमेकांवर चिरडल्याने नळीच्या बाजूने रेणूंच्या हालचालींपेक्षा तीव्रतेच्या अनेक ऑर्डरचा प्रसार होतो.

तर हे विद्युत प्रवाहासह आहे: विद्युत क्षेत्राच्या प्रसाराचा वेग दाबाच्या प्रसारासारखाच असतो आणि विद्युत प्रवाह तयार करणार्‍या इलेक्ट्रॉनच्या हालचालीचा वेग थेट पाण्याच्या रेणूंच्या हालचालीसारखाच असतो.

आता थेट इलेक्ट्रॉन्सकडे परत जाऊ या. इलेक्ट्रॉन (किंवा इतर चार्ज वाहक) च्या व्यवस्थित गतीच्या दराला ड्रिफ्ट रेट म्हणतात. त्याचे इलेक्ट्रॉन क्रियेद्वारे मिळवतात बाह्य विद्युत क्षेत्र. 

जर कोणतेही बाह्य विद्युत क्षेत्र नसेल, तर इलेक्ट्रॉन केवळ थर्मल मोशनद्वारे कंडक्टरच्या आत अव्यवस्थितपणे फिरतात, परंतु निर्देशित प्रवाह नसतो आणि त्यामुळे प्रवाहाची गती सरासरी शून्य असते.

जर कंडक्टरला बाह्य विद्युत क्षेत्र लागू केले असेल, तर कंडक्टरच्या सामग्रीवर, चार्ज वाहकांच्या वस्तुमानावर आणि चार्जवर, तपमानावर, संभाव्य फरकावर अवलंबून, चार्ज वाहक हालचाल करू लागतील, परंतु वेग ही हालचाल प्रकाशाच्या वेगापेक्षा लक्षणीय कमी असेल, सुमारे 0.5 मिमी प्रति सेकंद (1 मिमी 2 च्या क्रॉस सेक्शन असलेल्या तांब्याच्या वायरसाठी, ज्यामधून 10 A चा प्रवाह वाहतो, इलेक्ट्रॉन ड्रिफ्टचा सरासरी वेग 0.6- असेल. 6 मिमी/से).

हा वेग कंडक्टर n मधील फ्री चार्ज वाहकांच्या एकाग्रतेवर, कंडक्टर S च्या क्रॉस-सेक्शनल एरियावर, कण ईच्या चार्जवर, विद्युत् I च्या विशालतेवर अवलंबून असतो. तुम्ही बघू शकता, असूनही विद्युत प्रवाह (विद्युत चुंबकीय लहरीचा पुढचा भाग) प्रकाशाच्या वेगाने वायरच्या बाजूने प्रसारित होतो हे तथ्य, इलेक्ट्रॉन स्वतःच अधिक हळू हलतात. असे दिसून आले की विद्युत् प्रवाहाचा वेग खूपच कमी आहे.