Kecepatan arus listrik

Mari kita lakukan eksperimen pikiran ini. Bayangkan ada sebuah desa pada jarak 100 kilometer dari kota dan kabel sinyal sepanjang sekitar 100 kilometer dengan bola lampu di ujungnya dipasang dari kota ke desa itu. Garis dua inti berpelindung, diletakkan di atas penyangga di sepanjang jalan. Dan jika sekarang kita mengirim sinyal melalui jalur ini dari kota ke desa, berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk diterima di sana?

Perhitungan dan pengalaman memberi tahu kami bahwa sinyal dalam bentuk bola lampu akan muncul di ujung lainnya setidaknya dalam 100/300000 detik, yaitu setidaknya dalam 333,3 μs (tanpa memperhitungkan induktansi kabel) di desa akan lampu akan menyala, yang berarti arus akan terbentuk di kabel (misalnya, kami menggunakan arus searah kapasitor bermuatan). 

100 adalah panjang setiap urat dalam kawat kita dalam kilometer, dan 300.000 kilometer per detik adalah kecepatan cahaya—kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa. Ya, "gerakan elektron" akan merambat di sepanjang kabel dengan kecepatan cahaya.

Tetapi fakta bahwa elektron mulai bergerak satu demi satu dengan kecepatan cahaya tidak berarti sama sekali bahwa elektron itu sendiri bergerak di dalam kawat dengan kecepatan yang luar biasa. Elektron atau ion dalam konduktor logam, dalam elektrolit, atau dalam media konduktif lainnya tidak dapat bergerak secepat itu, yaitu, pembawa muatan tidak bergerak relatif satu sama lain dengan kecepatan cahaya.

Kecepatan cahaya dalam hal ini adalah kecepatan pembawa muatan dalam kawat mulai bergerak satu demi satu, yaitu kecepatan rambat gerak translasi pembawa muatan. Pembawa muatan itu sendiri memiliki "kecepatan melayang" pada arus searah, katakanlah dalam kawat tembaga, hanya beberapa milimeter per detik!

Mari kita perjelas poin ini. Katakanlah kita memiliki kapasitor yang terisi daya dan padanya kita memasang kabel panjang dari bola lampu kita yang dipasang di sebuah desa pada jarak 100 kilometer dari kapasitor. Menghubungkan kabel, yaitu menutup sirkuit, dilakukan dengan sakelar secara manual.

Apa yang akan terjadi? Saat sakelar ditutup, partikel bermuatan mulai bergerak di bagian kabel yang terhubung ke kapasitor. Elektron meninggalkan pelat negatif kapasitor, medan listrik di dielektrik kapasitor berkurang, muatan positif pelat berlawanan (positif) berkurang - elektron mengalir ke dalamnya dari kabel yang terhubung.

Dengan demikian, perbedaan potensial antara pelat berkurang.Dan karena elektron di kabel yang berdekatan dengan kapasitor mulai bergerak, elektron lain dari tempat yang jauh di kabel datang ke tempatnya, dengan kata lain, proses redistribusi elektron di kabel dimulai karena aksi medan listrik. dalam sirkuit tertutup. Proses ini menyebar lebih jauh di sepanjang kabel dan akhirnya mencapai filamen lampu sinyal.

Jadi perubahan medan listrik merambat di sepanjang kabel dengan kecepatan cahaya, mengaktifkan elektron di sirkuit. Tetapi elektron itu sendiri bergerak jauh lebih lambat.

Sebelum kita melangkah lebih jauh, pertimbangkan analogi hidrolik. Biarkan air mineral mengalir dari desa ke kota melalui pipa. Di pagi hari, sebuah pompa dihidupkan di desa dan mulai meningkatkan tekanan air di pipa untuk memaksa air dari sumber desa pindah ke kota Perubahan tekanan menyebar di sepanjang pipa dengan sangat cepat, dengan kecepatan sekitar 1400 km / s (tergantung dari kerapatan air, dari suhunya, dari besarnya tekanan).

Sepersekian detik setelah pompa dihidupkan di desa, air mulai mengalir ke kota. Tapi apakah ini air yang sama yang mengalir melalui desa? TIDAK! Molekul air dalam contoh kita saling mendorong dan mereka sendiri bergerak jauh lebih lambat, karena kecepatan penyimpangannya bergantung pada besarnya tekanan. Penghancuran molekul satu sama lain menyebarkan banyak urutan besarnya lebih cepat daripada pergerakan molekul di sepanjang tabung.

Begitu pula dengan arus listrik: kecepatan perambatan medan listrik mirip dengan perambatan tekanan, dan kecepatan pergerakan elektron yang membentuk arus mirip dengan pergerakan molekul air secara langsung.

Sekarang mari kita kembali langsung ke elektron. Laju gerak teratur elektron (atau pembawa muatan lainnya) disebut laju melayang. Elektronnya diperoleh melalui aksi medan listrik eksternal. 

Jika tidak ada medan listrik eksternal, maka elektron bergerak secara kacau di dalam konduktor hanya dengan gerakan termal, tetapi tidak ada arus yang diarahkan, dan oleh karena itu kecepatan penyimpangan rata-rata menjadi nol.

Jika medan listrik eksternal diterapkan pada konduktor, maka tergantung pada bahan konduktor, pada massa dan muatan pembawa muatan, pada suhu, pada perbedaan potensial, pembawa muatan akan mulai bergerak, tetapi kecepatannya gerakan ini akan jauh lebih kecil dari kecepatan cahaya, sekitar 0,5 mm per detik (untuk kawat tembaga dengan penampang 1 mm2, yang melaluinya arus 10 A mengalir, kecepatan rata-rata perpindahan elektron akan menjadi 0,6– 6 mm/dtk).

Kecepatan ini tergantung pada konsentrasi pembawa muatan bebas di konduktor n, pada luas penampang konduktor S, pada muatan partikel e, pada besarnya arus I. Seperti yang Anda lihat, meskipun fakta bahwa arus listrik (bagian depan gelombang elektromagnetik) merambat di sepanjang kabel dengan kecepatan cahaya, elektron itu sendiri bergerak jauh lebih lambat. Ternyata kecepatan arusnya adalah kecepatan yang sangat rendah.