Brzina električne struje

Provedimo ovaj misaoni eksperiment. Zamislite da postoji selo na udaljenosti od 100 kilometara od grada i da je od grada do tog sela povučen žičani signalni vod dug oko 100 kilometara sa žaruljom na kraju. Oklopljeni dvožilni vod, položen je na nosače uz cestu. I ako sada pošaljemo signal preko ove linije od grada do sela, koliko će trebati da tamo bude primljen?

Izračuni i iskustvo nam govore da će se signal u obliku žarulje pojaviti na drugom kraju za najmanje 100/300000 sekundi, odnosno za najmanje 333,3 μs (bez uračunavanja induktiviteta žice) u selo će se upaliti lampica, što znači da će se uspostaviti struja u žici (npr. koristimo istosmjernu struju od nabijeni kondenzator). 

100 je duljina svake vene u našoj žici u kilometrima, a 300 000 kilometara u sekundi je brzina svjetlosti — brzina širenja elektromagnetski val u vakuumu. Da, "kretanje elektrona" će se širiti duž žice brzinom svjetlosti.

Ali činjenica da se elektroni počinju kretati jedan za drugim brzinom svjetlosti uopće ne znači da se sami elektroni kreću u žici takvom ogromnom brzinom. Elektroni ili ioni u metalnom vodiču, u elektrolitu ili drugom vodljivom mediju ne mogu se kretati tako brzo, odnosno nositelji naboja se ne gibaju jedan u odnosu na drugoga brzinom svjetlosti.

Brzina svjetlosti je u ovom slučaju brzina kojom se nositelji naboja u žici počinju kretati jedan za drugim, odnosno to je brzina širenja translatornog gibanja nositelja naboja. Sami nositelji naboja imaju "brzinu zanošenja" pri istosmjernoj struji, recimo u bakrenoj žici, od samo nekoliko milimetara u sekundi!

Razjasnimo ovo. Recimo da imamo napunjeni kondenzator i na njega spojimo duge žice od naše žarulje postavljene u selu na udaljenosti od 100 kilometara od kondenzatora. Spajanje žica, odnosno zatvaranje strujnog kruga vrši se prekidačem ručno.

Što će se dogoditi? Kada je sklopka zatvorena, nabijene čestice počinju se kretati u onim dijelovima žica koje su spojene na kondenzator. Elektroni napuštaju negativnu ploču kondenzatora, električno polje u dielektriku kondenzatora se smanjuje, pozitivni naboj suprotne (pozitivne) ploče se smanjuje — elektroni teku u nju iz spojene žice.

Time se razlika potencijala između ploča smanjuje.A budući da su se elektroni u žicama uz kondenzator počeli kretati, drugi elektroni s udaljenih mjesta na žici dolaze na njihova mjesta, drugim riječima, počinje proces preraspodjele elektrona u žici zbog djelovanja električnog polja u zatvorenom krugu. Taj se proces dalje širi duž žice i konačno dolazi do žarne niti signalne žarulje.

Dakle, promjena električnog polja širi se duž žice brzinom svjetlosti, aktivirajući elektrone u krugu. Ali sami elektroni se kreću mnogo sporije.

Prije nego što nastavimo, razmotrite hidrauličku analogiju. Neka mineralna voda teče iz sela u grad kroz cijev. Ujutro je u selu pokrenuta crpka koja je počela povećavati tlak vode u cijevi kako bi natjerala vodu sa seoskog izvora prema gradu.Promjena tlaka širi se cjevovodom vrlo brzo, brzinom od oko 1400 km/s (ovisi o gustoći vode, o njezinoj temperaturi, o veličini tlaka).

U djeliću sekunde nakon uključivanja pumpe u selu, voda je krenula u grad. Ali je li to ista voda koja trenutno teče selom? Ne! Molekule vode u našem primjeru guraju jedna drugu, a same se gibaju puno sporije, budući da brzina njihovog odstupanja ovisi o veličini tlaka. Gnječenje molekula jedne o drugu širi se mnogo redova veličine brže od kretanja molekula duž cijevi.

Tako je i s električnom strujom: brzina širenja električnog polja slična je širenju tlaka, a brzina kretanja elektrona koji tvore struju slična je izravnom kretanju molekula vode.

Sada se vratimo izravno na elektrone. Brzina urednog gibanja elektrona (ili drugih nositelja naboja) naziva se brzina drifta. Njegovi elektroni dobivaju djelovanjem vanjsko električno polje. 

Ako nema vanjskog električnog polja, tada se elektroni kaotično kreću unutar vodiča samo toplinskim gibanjem, ali nema usmjerene struje, pa se brzina drifta u prosjeku ispostavlja nula.

Ako se na vodič nanese vanjsko električno polje, tada će se ovisno o materijalu vodiča, o masi i naboju nositelja naboja, o temperaturi, o razlici potencijala, nositelji naboja početi gibati, ali brzina ovog gibanja bit će znatno manji od brzine svjetlosti, oko 0,5 mm u sekundi (za bakrenu žicu presjeka 1 mm2, kroz koju teče struja od 10 A, prosječna brzina drifa elektrona bit će 0,6– 6 mm/s).

Ova brzina ovisi o koncentraciji slobodnih nositelja naboja u vodiču n, o površini poprečnog presjeka vodiča S, o naboju čestice e, o veličini struje I. Kao što vidite, unatoč činjenica da se električna struja (prednji dio elektromagnetskog vala) širi duž žice brzinom svjetlosti, sami elektroni se kreću mnogo sporije. Ispostavilo se da je brzina struje vrlo mala brzina.