Скорость движения электронов
Электрический ток распространяется по проводам с баснословной скоростью, практически равной скорости света. Триста тысяч километров в секунду пробегает по проводам электрический сигнал.
Электрический ток в проводах представляет собой движение электронов. Значит ли это, что электроны движутся в проводах со скоростью света?
Нет, не значит. При замыкании цепи вдоль проводов распространяется электрическое поле, причем это распространение происходит со скоростью света. Если замкнуть электрическую цепь огромной длины, то через одну секунду электроны действительно начнут двигаться на расстоянии 300 000 км от места замыкания. Однако там будут двигаться не те электроны, которые начали двигаться в момент замыкания у места замыкания. Это будут другие, так сказать, «местные» электроны. Распространяющееся со скоростью света поле приводит в движение электроны в тех участках провода, которых оно достигло.
А сами электроны? Они движутся крайне медленно. Кроме того, характер их движения таков, что скорость их весьма неопределенна.
В образовании электрического тока участвуют свободные электроны, содержащиеся в металле в огромном количестве (число свободных электронов примерно равно числу атомов). Однако эти электроны движутся не только в результате воздействия электрического поля и при отсутствии поля они не остаются неподвижными. Они находятся в постоянном хаотическом тепловом движении. Это движение электронов в металле чрезвычайно затруднено. Электроны испытывают непрестанные столкновения как с другими электронами, так и с атомами и в результате этих столкновений изменяют направление своего движения, уменьшают скорость и зачастую отскакивают в обратном направлении.
Практически тепловая скорость движения электронов в проводах составляет всего лишь несколько десятков километров в секунду. Почти .никакого электрического действия это тепловое движение электронов не производит, хотя всякое движение электронов представляет собой электрический ток. Объясняется это хаотическим характером теплового движения: любому числу электронов, движущихся в каком-нибудь направлении, всегда соответствует такое же количество электронов, движущихся в противоположном направлении.
При воздействии на электроны электрического поля возникает, кроме такого хаотического, еще и упорядоченное движение электронов в одну сторону. Это не означает, что при наличии поля все свободные электроны движутся в одну сторону. Скорость, которую электроны приобретают под действием поля, сравнительно невелика, но она складывается со скоростью теплового движения. Это означает, что электроны, двигавшиеся в направлении действия поля, увеличат свою скорость, а движение электронов в обратном направлении замедлится. В итоге вся масса свободных электронов будет смещаться в направлении действия поля. Это смещение мы и называем электрическим током.
Какова же скорость движения электронов, вызванная действием электрического поля?
В проводах скорость движения электронов под действием поля в промежутках времени между двумя столкновениями может быть сравнительно значительной, достигая нескольких километров в секунду. Но бесчисленные столкновения приводят к тому, что фактическое перемещение электронов в направлении действия поля характеризуется чрезвычайно малой скоростью. Эта скорость в конечном счете определяется напряженностью поля и в среднем при напряженности поля 1 вольт на сантиметр длины провода составляет около десяти сантиметров в секунду.
Но подобная напряженность поля встречается редко. Чтобы создать такое поле в проводе длиной 1 км, надо подвести к нему напряжение 100 000 вольт. Фактически имеющие место напряженности поля бывают значительно меньше, и скорость движения электронов в направлении действия такого поля измеряется небольшим количеством миллиметров или даже долями миллиметра в секунду. Например, при таких напряжениях, какие действуют в осветительной сети, скорость движения электронов составляет 1—3 мм в секунду. В час электроны передвигаются на расстояние всего лишь около 10 м.
Итак, скорость электрического тока — это скорость распространения электрического поля, побуждающего электроны двигаться вдоль провода, а не скорость самих электронов. Если бы ток распространялся со скоростью электронов, то телеграмма, посланная из Москвы во Владивосток, могла бы прийти туда, например, через 100 лет. Ее получили бы правнуки адресата. При такой скорости Москве пришлось бы ждать 10 лет, пока до нее дойдет ток от Куйбышевской ГЭС, и даже лампочку, простую электрическую лампочку, нам пришлось бы включать за полчаса до того, как нам потребуется ее свет, так как при скорости 10 м. в час электроны добрались бы от выключателя до лампы не раньше чем через полчаса. Во всех предыдущих примерах мы считали, что имеем дело с постоянным током, который характеризуется движением электронов в одну сторону. При переменном токе электроны совершают лишь колебательные движения около среднего положения и вообще не перемещаются на большие расстояния.
Скорость движения электронов в вакууме гораздо больше, чем в проводах. Это вполне естественно, так как, двигаясь в почти полной пустоте, электроны не испытывают столкновений с другими частицами. Поэтому скорость их движения определяется только ускоряющим действием поля и фактически значительно превышает тепловые скорости. В электронных лампах при анодном напряжении 250 вольт электроны пролетают пространство между катодом и анодом со скоростью около 9 000 км в секунду. Еще значительно быстрее мчатся электроны в телевизионных трубках, где они разгоняются напряжением во много тысяч вольт.
Направление теплового движения электронов в проводниках хаотично. В каждый данный момент времени известное количество электронов имеет такое направление движения, которое должно привести к вылету их за пределы проводника. Однако преодоление поверхностного слоя проводника представляет для электронов серьезное затруднение, так как он отталкивает их внутрь проводника. Чтобы прорваться наружу, электроны должны приобрести большую скорость. Например, для того чтобы вылететь из вольфрама — металла, из которого делаются нити накала радиоламп, электроны должны приобрести скорость 1 270 км в секунду.
Такую скорость электроны могут приобрести только в результате сильного нагревания проводника. Когда нужная скорость достигнута, начинается вылет электронов из проводника во внешнее пространство — электронная эмиссия. Проводник из вольфрама для получения нормальной электронной эмиссии должен быть нагрет примерно до 2 500°С.
Таким образом, скорость движения электронов в радиоаппаратуре колеблется в пределах примерно от долей миллиметра до десятков тысяч километров в секунду.
Потрясающая статья. Оказывается что электрический ток, это не движение самих электонов, а только следствие этого движения. Понятно что значит напряжение поля. Что такое сила тока?
Статья действительно хорошая, я тоже узнал много нового, когда впервые прочитал ее.
Насчет силы тока – почитайте, что такое электрический заряд. Сила тока считается не только по закону Ома, она еще зависит от заряда, а заряд – свойство тела, которое позволяет ему быть источником электрического поля. Заметьте, что именно электрическое поле приводит электроны в упорядоченное движение.
По факту сила тока равна заряду, который протекает в момент времени через все сечение проводника. Попробуйте представить себе электрический ток так, как мы его обычно видим – синяя светящаяся нить – и поместите мысленно эту нить внутрь проводника, таким образом можно понять, каким образом ток “заполняет” проводник.
Просто если забивать голову только формулами, все это понять довольно сложно. Но такие статьи позволяют как раз быстро разобраться в явлении без графиков и множества формул и цифр.
Ещё вопросы. Если электроны вылетят за пределы проводника, то как они в проводнике появятся снова? Могут ли все электроны вылететь? Откуда берутся электроны в пьезоэлементе, например в том, который используется в зажигалке?
Ведь, по идее, можно бесконечно щёлкать элементом, и всегда будет появлятся ток который переходит на другой проводник.
Денис, найдите в Инете материалы на тему “Электронная эмиссия” – это и есть ответ на ваши вопросы. На сайте такого пока нет.
Щелкать разрядником можно бесконечно только теоретически
Насчет могут ли все электроны вылететь – может остаться слишком малое количество электронов, “пригодных” для эмиссии. К примеру, кинескоп тускло показывает, вы крутите регуляторы – прибавляете эмиссию. Кинескоп будет еще прилично работать в нормальном режиме, но бесконечно прибавлять эмиссию не получится, так как проводники в конечном итоге просто сгорят.
кинескоп садится не потому, что электроны закончились, а потому, что люминофор износился. Накручивая яркость, мы увеличиваем разгоняющее напряжение (может и нагрев, но только для облегчения вылета электронов), энергия столкновения электронов с люминофором повышается и он светится ярче. Сам электрод разрушается из-за испарения металла от нагрева.
а электроны не заканчиваются потому, что они же и прибывают в нужном количестве от источника тока. Если прибывать будет мало – то и улетать будет мало.
Если бы электроны имели свойство “заканчиваться” в электроде, то он перестал бы излучать ОЧЕНЬ быстро, приобретя положительный заряд
При чем тут люминофор ? Я говорю про эмиссию. Катоды окисляются от нагрева, и налет окиси “не дает” электронам вылетать в нужном, не знаю, как сформулировать, объеме, что ли. И если продолжать эмиссию снова и снова, то проводник сгорит, так его поверхность настолько окислится, что он к эмиссии будет неспособен.
Мы не накручиваем яркость, мы накручиваем как раз разгоняющее напряжение между катодом и анодом кинескопа, увеличивая скорость потока электронов. Увеличиваем мы ее до тех пор, пока либо не окислится катод, и эмиссия будет невозможна (электроны перестанут вылетать), либо (тут вы правы) не сгорит тот самый люминофор. Но здесь говорится именно про эмиссию, не про люминофор )
Черт! Проучмлся пять лет в политехническом ВУЗе и читал эту статью с увлечением! Помню, когда у нас была электротехника, я буквально проклинал её. Эх, было бы всё также написано и в учебниках, с класса девятого и до первого-второго курса.
Да уж, у меня с электротехникой тоже дело обстояло не супер ))) На самом деле, в старых “познавательных” книгах и учебниках (эта статья – 1956 год) во многих такое изложение – автор стремится просто передать суть, в то же время заинтересовать и рассказать подробно о предмете. Сейчас учебники намного хуже (
Отличная статья, просто, доступно, оригинально, но….ЦИТАТА:”Эта скорость в конечном счете определяется напряженностью поля и в среднем при напряженности поля 1 вольт на сантиметр длины провода составляет около десяти сантиметров в секунду.”
То есть вы хотите сказать, что напряжение(вольты)-это скорость электронов!?
А как-же переменный ток? Там-же электроны фактически стоят на месте и колеблются лишь, то в одну сторону, то в другую и это скорость выражается не в вольтах(напряжение), а в герцах(частота колебания,она-же скорость колебания).
Мне напряжение(вольты) представляется так-это какое количество, свободных электронов участвуют в процессе упорядоченного движения или колебания(в переменном токе). Чем больше напряжение, тем больше электронов “работают”, а остальные болтаются без дела.
Сила тока-это как раз скорость тех самых электронов+ их кол-во.
Поправьте и простите меня если я не прав.
Пример: на дороге стоит один человек, преровним его к 1 вольту, даешь ему пинка под зад и он начинает двигаться-это постоянный ток равный 1 вольту.
Если на дороге два человека и обоим дать пенка, то побегут 2человека, то есть 2 вольта, ну и т.д Чем больше людей будет бежать по дороге, тем больше вольт, но дорога определенной ширины, как и проводник, поэтому на ней могут уместися определенное кол-во людей(в проводнике электронов).
Дороги бывают разные: бывают автострады, там мы(электроны двигаемся быстро), а бывает болота, там мы(электроны) стрянут. В проводнике это будет выражаться в сопротивлении, в Ом(ах).
Сила тока-это какое кол-во людей, с какой скоростью и по какой дороге бегут.
Переменный ток- это тоже самое, но люди по дороге бегут, то в одну сторону, то в другую.
Как-то так.
Аркадий, образование ПТУ
В пьезоэлементе электроны, по логике, должны быть конечны. Инфу я еще не искал, хотя самому интересно. Есть факт:дома валяется старая, старая зажигалка с пьезоэлементом, 100 раз ее уже заправляли.Так вот искру,которая зажигает газ, уже фактически не видно, ощущается она лишь тогда, когда бьет тебя в палец. У дар слабенький, не как раньше, да и газ она зажигает с 5-го раза или реже.
Аркадий, не путайте напряжение и напряженность электрического поля – это разные вещи. Невнимательно читаете. Кстати, для этого ПТУ даже не нужно, поскольку напряжение – материал 8 класса общеобразовательной школы. Я тоже закашивал физику иногда, понимаю
Это статья авторов Кубаркина и Левитина, вы можете найти их книги, если постараетесь, в магазинах их не купить, издана в 1956 году еще, но написана и вправду отлично.
Нет, электроны не конечны, просто со временем проводник закисляется, либо сам механизм извлечения искры приходит в негодность. Когда проводник закислен, то эмиссия с него плохая, потому и искра слабая.
Ааа, спасибо. Точняк, не внимательно прочитал.
Мне статья тоже очень понравилось. Только не от вижу ссылок на источники….
Откуда взята инфа? Спасибо.
Да нету никаких ссылок, инфа для создания данной статьи взята из книги под названием “Занимательная радиоэлектроника”, авторы – Кубаркин и Левитин, год издания – 1956, уже неоднократно об этом написано на данном сайте. Есть еще дополненное издание, там есть материал, которого нет здесь, но в Инете мне его найти не удалось, а у самого нету.
Я так и не понял напряжение это скорость движения электронов или колличество электронов? А также при переменном токе,электроны которые образовались аз счет магните на начальном конце проводника ,они там же и остаются,но создают магнитное поле и из-за которого на другом конце проводника другие электроны питают допустим бытовую технику?
David, ведь написано же:
“При воздействии на электроны электрического поля возникает, кроме такого хаотического, еще и упорядоченное движение электронов в одну сторону. Это не означает, что при наличии поля все свободные электроны движутся в одну сторону. Скорость, которую электроны приобретают под действием поля, сравнительно невелика, но она складывается со скоростью теплового движения. Это означает, что электроны, двигавшиеся в направлении действия поля, увеличат свою скорость, а движение электронов в обратном направлении замедлится. В итоге вся масса свободных электронов будет смещаться в направлении действия поля. Это смещение мы и называем электрическим током.”
Количество электронов – это количество электронов.
Переменный ток – это ток, который периодически изменяется по модулю и направлению, т. е. движение электронов происходит в обе стороны. А питают бытовую технику не сами электроны, электрон – это просто частица, имеющая заряд. Питает именно ток, т. е. результат этого самого смещения электронов. Вообще, это довольно сложное явление, которое выходит за рамки данной статьи. Если будет время, попробую найти еще материал или составлю сам.
кто может решить эту задачу подскажите . Образование электронного облака около катода объясняеться тем : 1)что скорость электронов мала;2)при вылете электронов катод заряжаеться положительно ;3)электроны в облаке взаимодействуют друг с другом
Скорее всего, это вариант номер 2 или 3 – электроны накапливаются у катода за счет того, что их “притягивают” положительно заряженные ионы металла катода. Но некоторые возвращаются обратно на катод, то есть вроде как “взаимодействуют”… Вообще не очень понятно сформулировано – образование электронного облака объясняется явлением электронной эмиссии, т. е. оно образуется потому, что катод нагревается, электроны начинают хаотически метаться и вылетать наружу. Когда их становится слишком много, часть возвращается обратно, чтобы количество электронов в облаке не увеличивалось сверх меры, а было постоянным (так называемое динамическое равновесие)
Т. о., вариант 1 отпадает – скорость электронов как раз велика. А вот №2 и №3 подходят. Думаю, это вариант номер 3.
А как дело обстоит со скоростью в сверх проводнике ?
Александр, на самом деле трудно сказать, ведь сверхпроводимость – это немного другое явление. В обычных условиях сверхпроводник отнюдь не является хорошим проводником. Думаю, что принцип тот же, поскольку и в сверхпроводнике все строится именно на взаимодействии электронов, они не движутся сплошным потоком, словно вода по трубам =)
Статья интересна, но она не отвечает на вопрос ” что есть ток”. Если взять шары, и поставить их в линию без зазора, то удар по первому шару передаст воздействие к последнему шару с большой скоростью. Если между шарами зазор, то передача воздействия будет с малой скоростью. Электроны не образуют непрерывную цепочку, но приобретают движение от воздействия распространяющееся со скоростью света. Вероятно, что их движет поток из других объектов, но и они обязаны двигаться со скростью потока. Возможно у них длинные “руки” (излучение, одинаковый заряд, или антигравитация), тогда между ними зазора нет, и они передают воздействие со скоростью света, а движутся от передаваемого воздействия медленно. Атомы распространяют звук со скоростью 330 м в секунду, а сами почти не движутся. И у них длинные руки. Ссылка – “Теория единых процессов во Вселенной”.
Мысль интересная, потому ссылку оставляю
Единственно, сделайте на своем сайте форматирование нормальное, иначе просто читать невозможно (на абзацы нужно разбить статьи).
а как движутся электроны при переменном напряжении “туда-сюда” или в одну сторону? (Физик МЭИ говорит что в одну)
А физик МЭИ не сказал вам, что такое переменное напряжение (переменный ток) ?
И что в статье, комментарий к которой вы оставили, говорится про переменный ток ? Электроды не движутся в какую-либо сторону, они как бы колеблются, “толкутся”, и ЭДС при этом изменяется от нуля от максимума. Почему при переменном токе и нету таких потерь, как при постоянном. Надеюсь, что мне удалось разъяснить этот вопрос в рамках моих скромных знаний 
Знать и понимать это разные вещи ! Такие статьи помогают понимать ! Я еще с института не могу понять такую вещь. В генераторе или трансформаторе переменного тока под действием силы Лоренца электроны много раз в секунду смещаются (распределение заряда). В замкнутой цепи это приводит к току. А в разомкнутой ?
Если от трансформатора до фазного провода в моей розетке 1000 метров, то электроны на всем протяжении в проводе под действием электрического поля тоже должны колебаться (не тепловое движение, а именно движение под действием электрического поля). А так как колеблющийся электрон создает переменное электромагнитное поле, то все провода в квартире превращаются в антенны излучающие в эфир электромагнитную волну с частотой 50 Гц. Прав я или нет ?
По идее, правы (насчет антенн). Ибо факт электромагнитной наводки от проводов очевиден =) Сорри, комментарий почему-то потерялся, я его только сегодня заметил.