विद्युत प्रवाह की गति

आइए इस विचार प्रयोग को करते हैं। कल्पना कीजिए कि शहर से 100 किलोमीटर की दूरी पर एक गाँव है और शहर से उस गाँव तक लगभग 100 किलोमीटर लंबी एक तार की सिग्नल लाइन बिछाई जाती है। एक परिरक्षित दो-कोर लाइन, यह सड़क के साथ समर्थन पर रखी गई है। और यदि अब हम इस रेखा के ऊपर एक नगर से दूसरे गाँव तक सिगनल भेज दें, तो वहाँ पहुँचने में उसे कितना समय लगेगा?

गणना और अनुभव हमें बताते हैं कि एक प्रकाश बल्ब के रूप में एक संकेत दूसरे छोर पर कम से कम 100/300000 सेकंड में दिखाई देगा, यानी कम से कम 333.3 μs (तार के अधिष्ठापन को ध्यान में रखे बिना) में गाँव में एक बत्ती जलेगी, जिसका अर्थ है कि तार में करंट स्थापित हो जाएगा (उदाहरण के लिए, हम एक दिष्ट धारा का उपयोग करते हैं) आवेशित संधारित्र). 

100 किलोमीटर में हमारे तार की प्रत्येक नस की लंबाई है, और 300,000 किलोमीटर प्रति सेकंड प्रकाश की गति है - प्रसार की गति विद्युत चुम्बकीय तरंग निर्वात में। हां, "इलेक्ट्रॉनों की गति" तार के साथ प्रकाश की गति से फैलती है।

लेकिन तथ्य यह है कि इलेक्ट्रॉन प्रकाश की गति से एक के बाद एक चलने लगते हैं इसका मतलब यह बिल्कुल नहीं है कि इलेक्ट्रॉन स्वयं तार में इतनी जबरदस्त गति से घूम रहे हैं। एक धातु कंडक्टर में, एक इलेक्ट्रोलाइट में, या किसी अन्य प्रवाहकीय माध्यम में इलेक्ट्रॉन या आयन उतनी तेजी से नहीं चल सकते हैं, अर्थात आवेश वाहक प्रकाश की गति से एक दूसरे के सापेक्ष गति नहीं करते हैं।

इस मामले में प्रकाश की गति वह गति है जिस पर तार में आवेश वाहक एक के बाद एक गति करना शुरू करते हैं, अर्थात यह आवेश वाहकों के स्थानांतरीय गति के प्रसार की गति है। चार्ज वाहकों के पास सीधे वर्तमान में "बहाव वेग" होता है, तांबे के तार में कहें, केवल कुछ मिलीमीटर प्रति सेकंड!

आइए इस बिंदु को स्पष्ट करें। मान लीजिए कि हमारे पास एक चार्ज कैपेसिटर है और हम कैपेसिटर से 100 किलोमीटर की दूरी पर एक गाँव में स्थापित अपने लाइट बल्ब से लंबे तार जोड़ते हैं। तारों को जोड़ना, अर्थात सर्किट को बंद करना, एक स्विच के साथ मैन्युअल रूप से किया जाता है।

क्या हो जाएगा? जब स्विच बंद हो जाता है, तो आवेशित कण तारों के उन हिस्सों में जाने लगते हैं जो संधारित्र से जुड़े होते हैं। इलेक्ट्रॉन संधारित्र की ऋणात्मक प्लेट को छोड़ देते हैं, संधारित्र के ढांकता हुआ में विद्युत क्षेत्र कम हो जाता है, विपरीत (धनात्मक) प्लेट का धनात्मक आवेश कम हो जाता है - इसमें जुड़े तार से इलेक्ट्रॉन प्रवाहित होते हैं।

अतः प्लेटों के बीच विभवान्तर घट जाता है।और जब से संधारित्र से सटे तारों में इलेक्ट्रॉन हिलने लगे, तो तार पर दूर के स्थानों से अन्य इलेक्ट्रॉन अपने स्थान पर आ गए, दूसरे शब्दों में, विद्युत क्षेत्र की क्रिया के कारण तार में इलेक्ट्रॉनों के पुनर्वितरण की प्रक्रिया शुरू हो गई एक बंद सर्किट में। यह प्रक्रिया आगे तार के साथ फैलती है और अंत में सिग्नल लैंप फिलामेंट तक पहुंचती है।

तो विद्युत क्षेत्र में परिवर्तन तार के साथ प्रकाश की गति से फैलता है, सर्किट में इलेक्ट्रॉनों को सक्रिय करता है। लेकिन इलेक्ट्रॉन स्वयं बहुत धीमी गति से चलते हैं।

इससे पहले कि हम आगे बढ़ें, एक हाइड्रोलिक सादृश्य पर विचार करें। गांव से शहर तक मिनरल वाटर को पाइप से प्रवाहित होने दें। सुबह गाँव में एक पंप चालू किया गया और वह पाइप में पानी के दबाव को बढ़ाने लगा ताकि गाँव के स्रोत से पानी शहर की ओर जाने के लिए मजबूर हो।दबाव में परिवर्तन बहुत तेज़ी से पाइप लाइन के साथ फैलता है लगभग 1400 किमी / सेकंड (यह पानी के घनत्व से, उसके तापमान से, दबाव के परिमाण से निर्भर करता है)।

गांव में पंप चालू होने के कुछ ही सेकेंड बाद शहर में पानी आना शुरू हो गया। लेकिन क्या यह वही पानी है जो इस समय गांव में बह रहा है? नहीं! हमारे उदाहरण में पानी के अणु एक दूसरे को धक्का देते हैं और वे स्वयं बहुत धीमी गति से आगे बढ़ते हैं, क्योंकि उनके विचलन की गति दबाव के परिमाण पर निर्भर करती है। ट्यूब के साथ अणुओं की गति की तुलना में एक दूसरे के खिलाफ अणुओं को कुचलने से परिमाण के कई क्रम तेजी से फैलते हैं।

तो यह एक विद्युत प्रवाह के साथ है: एक विद्युत क्षेत्र के प्रसार की गति दबाव के प्रसार के समान है, और इलेक्ट्रॉनों की गति की गति जो एक धारा बनाती है, सीधे पानी के अणुओं की गति के समान होती है।

अब सीधे इलेक्ट्रॉनों पर वापस आते हैं। इलेक्ट्रॉनों (या अन्य आवेश वाहकों) की क्रमबद्ध गति की दर को बहाव दर कहा जाता है। इसके इलेक्ट्रॉन क्रिया के माध्यम से प्राप्त होते हैं बाहरी विद्युत क्षेत्र. 

यदि कोई बाहरी विद्युत क्षेत्र नहीं है, तो इलेक्ट्रॉन केवल तापीय गति से कंडक्टर के अंदर बेतरतीब ढंग से चलते हैं, लेकिन कोई निर्देशित धारा नहीं होती है, और इसलिए बहाव की गति औसतन शून्य हो जाती है।

यदि एक कंडक्टर पर एक बाहरी विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है, तो कंडक्टर की सामग्री के आधार पर, आवेश वाहकों के द्रव्यमान और आवेश पर, तापमान पर, संभावित अंतर पर, आवेश वाहक गति करना शुरू कर देंगे, लेकिन गति इस आंदोलन का प्रकाश की गति से महत्वपूर्ण कम होगा, लगभग 0.5 मिमी प्रति सेकंड (1 मिमी2 के क्रॉस सेक्शन वाले तांबे के तार के लिए, जिसके माध्यम से 10 ए की धारा प्रवाहित होती है, इलेक्ट्रॉन बहाव की औसत गति 0.6- होगी) 6 मिमी / एस)।

यह गति कंडक्टर n में मुक्त आवेश वाहकों की सांद्रता पर निर्भर करती है, कंडक्टर S के क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र पर, कण e के आवेश पर, वर्तमान I के परिमाण पर। जैसा कि आप देख सकते हैं, बावजूद तथ्य यह है कि विद्युत प्रवाह (विद्युत चुम्बकीय तरंग के सामने) प्रकाश की गति से तार के साथ फैलता है, इलेक्ट्रॉन स्वयं बहुत धीमी गति से चलते हैं। यह पता चला है कि वर्तमान की गति बहुत कम गति है।