С какой скоростью движется электричество. С какой скоростью двигается электрон

Почему ток в розетке и проводах не бежит со скоростью света? Или все-таки..

Любой человек, разбирающийся в физике, скажет, что скорость движения электрического тока равна скорости света и составляет 300 тысяч километров в секунду. С одной стороны он прав на 100%, но есть нюансы.

Со светом все просто и прозрачно: скорость полета фотона равна скорости распространения светового луча. С электронами сложнее. Электрический ток сильно отличается от видимого излучения.

Почему считается, что скорость полета фотонов в вакууме и скорость электронов в проводнике одинакова? Утверждение основано на фактических результатах.

В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц экспериментально установил, что электромагнитная волна распространяется в вакууме так же быстро как свет.

Но можно ли говорить, что электроны в проводнике летят со скоростью света? Надо разобраться с природой электричества.

Что такое электрический ток?

Из школьного курса физики известно, что электричество – это поток электронов, упорядоченно перемещающихся в проводнике. Пока источника электричества нет, электроны движутся в проводнике хаотически, в разных направлениях. Если суммировать траектории всех заряженных частиц, получится ноль. Поэтому кусок металла не бьет током.

Если металлический предмет подсоединить к электрической цепи, все электроны в нем выстроятся в цепочку и потекут от одного полюса к другому. Насколько быстро произойдет упорядочение? Со скоростью света в вакууме.

Но это не означает, что электроны полетели от одного полюса к другому также стремительно. Это заблуждение.

Просто люди настолько привыкли к утверждению, что электричество распространяется так же быстро как свет, что не особо задумываются над деталями.

Популярные заблуждения о скорости света

Еще одним примером такого поверхностного восприятия можно назвать понятие о природе молнии. Многие ли задумываются, какие физические процессы происходят во время грозы? Какова, например, скорость молнии? Можно ли без приборов узнать, на какой высоте бушуют грозовые разряды? Разберемся со всем этим по порядку.

Кто-то может сказать, что молния бьет со скоростью света, и будет не прав. Настолько быстро распространяется вспышка, вызванная гигантским электрическим разрядом в атмосфере, но сама молния гораздо медленнее. Грозовой разряд – это не удар луча света наподобие лазера, хотя визуально похоже. Это сложная структура в насыщенной электричеством атмосфере.

Ступенчатый лидер или главный канал молнии формируется в несколько этапов. Каждая ступень в десятки метров образуется со скоростью около 100 км/сек вдоль разрядных нитей из ионизированных частиц. Направление меняется на каждом этапе, поэтому молния имеет вид извилистой линии. 100 километров в секунду – это быстро, но до скорости электромагнитной волны очень далеко. В три тысячи раз.

Что быстрее: молния или гром?

Этот детский вопрос имеет простой ответ – молния. Из того же школьного курса физики известно, что скорость звука в воздухе равна примерно 331 м/сек. Почти в миллион раз медленнее электромагнитной волны. Зная это, легко понять, как высчитать расстояние до молнии.

Свет вспышки доходит до нас в момент разряда, а звук летит дольше. Достаточно засечь промежуток времени между вспышкой и громом. Теперь просто считаем, насколько далеко от нас ударила молния, по простой формуле:

L =T × 331

Например, гром прогремел через 7.2 секунды после вспышки. 331 × 7.2 = 2383. Получается, что молния ударила на высоте 2 километра 383 метра.

Скорость электромагнитной волны – это не скорость тока

Теперь будем более внимательны к цифрам и терминам. На примере молнии убедились, что маленькое неверное допущение может привести к большим промахам. Точно известно, что скорость распространения электромагнитной волны равна 300 000 километров в секунду. Однако это не означает, что электроны в проводнике перемещаются с такой же скоростью.

Представим, что две команды соревнуются, кто быстрее доставит мяч с одного края поля на другой. Обязательное условие – каждый член команды сделает несколько шагов с мячом в руках. В одной команде пять человек, а в другой – один.

Пятеро, выстроившись в цепочку, сыграют в пас, сделав каждый несколько шагов в направлении от старта к финишу. Одиночке придется бежать всю дистанцию. Очевидно, что победят пятеро, потому что мяч летит быстрее, чем человек бегает.

Так же и с электричеством. Электроны «бегают» медленно (собственная скорость элементарных частиц в направленном потоке исчисляется миллиметрами в секунду), но передают друг другу «мячик» заряда очень быстро. При отсутствии разности потенциалов на разноименных концах проводника все электроны движутся хаотично. Это тепловое движение, присутствующее в каждом веществе.

Если бы электроны двигались в проводах со скоростью света

Представим, что скорость электронов в проводнике все-таки близка к световой. В этом случае современная энергетика была бы невозможна в привычном для нас виде. Если бы электроны двигались по проводам, пролетая 300 000 километров в секунду, пришлось бы решать очень сложные технические задачи.

Самая очевидная проблема: на такой скорости электроны не смогут следовать за поворотами проводов. Разогнавшись на прямом участке, заряженные частицы будут вылетать по касательной как не вписавшиеся в вираж автомобили.

Чтобы удержать летящие на космических скоростях электроны внутри энергетических магистралей, придется снабжать провода электромагнитными ловушками. Каждый участок проводки станет похожим на фрагмент адронного коллайдера.

К счастью элементарные частицы предвигаются гораздо медленнее и для передачи энергии на дальние расстояния вполне пригодны неизолированные алюминиевые провода для ЛЭП

Источник: https://elektrika-ok.ru/elektrooborudovanie/o-produkcii/pochemu-tok-v-rozetke-i-provodah-ne-bezhit-so-skorostyu-sveta

С какой скоростью движется земля вокруг своей оси и солнца?

С какой скоростью движется земля вокруг своей оси и солнца?

Земля, как и любой другой небесный объект, находится в постоянном движении. Даже если мы, люди, не чувствуем этого, планета вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца с огромной скоростью. Не ощущаем это мы потому, что это подобно самолету или машине — мы движемся с той же скоростью, что и транспорт, из-за этого и рождается иллюзия статики.

Из-за чего происходит вращение Земли вокруг своей оси?

Изящное 24-часовое вращение Земли вокруг своей оси — одна из причин, почему наша родная планета обитаема. Во многом именно это позволило развиться жизни, благодаря созданию благоприятной температуры, которая достигается постоянной сменой дня и ночи.

Не стоит забывать, что не только Земля имеет такую особенность — каждая планета в Солнечной системе имеет свое уникальное вращение. К примеру, на крошечном Меркурии, который находится ближе всего к Солнцу, одно вращение происходит за 59 земных дней, а на Венере — вообще 243, и кроме того ее движение происходит в обратном направлении.

То, что Земля вращается, знают все, и это кажется банальной информацией, но если задуматься, то не совсем понятно, почему же это происходит. Для ответа на этот вопрос надо узнать, как образовалась вся Солнечная система.

Материалы по теме:

Правда ли, что в центре звезд и планет невесомость?

Образование Солнечной системы

Изначально Солнечная система представляла из себя просто огромное облако пыли и газа, которое со временем начало разрушаться, превращаясь в гигантский диск.

Он в свою очередь постоянно увеличивал свою скорость вращения, словно фигуристка, вскидывающая руки вверх, чтобы двигаться быстрее. Солнце сформировалось в центре, а планеты начали собираться в отдалении от него.

Все объекты, из которых состоит наша система, находятся на одной и той же плоскости и двигаются в одном направлении потому, что все они произошли из одного диска космической пыли.

Пока происходил процесс склейки планет и других небесных тел, спокойствия в Солнечной системе не было никакого, так как обломки постоянно сталкивались друг с другом, что приводило к их вращению. Иногда гравитация больших обломков завлекала маленькие — так появились спутники.

Почему Земля вращается вокруг своей оси быстрей других планет?

Ученые предполагают, что огромный объект, примерно размером с Марс, врезался в нашу планету и отделил от нее тем самым огромный клочок, который стал впоследствии Луной. Это столкновение заставило Землю вращаться с большей скоростью, чем другие планеты. Но гравитация Луны влияет на вращение Земли — она его замедляет!

Интересный факт: Земля постоянно замедляет свое вращение. Ученые предполагают, что в момент образования планеты день шел всего 6 часов. А сейчас существуют чрезвычайно точные технологии, которые дают возможность просчитать дальнейшее замедление — через сто лет день станет короче на 2 миллисекунды.

Скорость является понятием относительным, потому что всегда требуется определенная точка отсчета, чтобы ее рассчитать. Для расчета скорости вращения вокруг своей оси, берется вращение относительно центра планеты.

Материалы по теме:

Почему Плутон не планета?

Земля совершает один оборот за 23 часа 56 минут и 4.09053 секунды, что называется звездным периодом. Окружность планеты равна 40 075 километров. Для того, чтобы рассчитать скорость, потребуется разделить окружность на время, тогда получается примерно 1674 км/ч или же 465 м/с.

Земля вращается вокруг своей оси со скоростью: 1674 км в час или 465 м/с.

Если же вам интересно узнать скорость вращения, которая может достигаться на иной широте, то для это потребуется лишь умножить косинус этой широты (его можно просчитать на калькуляторе либо просто подсмотреть в таблице косинусов) на скорость вращения планеты на экваторе (1674 км/ч). Так косинус 45 градусов равен 0,7071 и получатся, что скорость на этой широте: 1674х0,7071=1183,7 км/ч.

Зависимость скорости вращения Земли и широты

Скорость вращения Земли для разных широт

• 10°: 0.9848×1674=1648,6 км/ч;
• 20°: 0.9397×1674=1573,1 км/ч;
• 30°: 0.866×1674=1449,7 км/ч;
• 40°: 0.766×1674=1282,3 км/ч;
• 50°: 0.6428×1674=1076,0 км/ч;
• 60°: 0.5×1674=837,0 км/ч;
• 70°: 0.342×1674=572,5 км/ч;
• 80°: 0.1736×1674=290,6 км/ч

Интересный факт: космические агенства предпочитают использовать вращение Земли вокруг своей оси для своего преимущества.

Так как скорость вращения наибольшая в районе экватора, то и ресурсов для подъема космического корабля с нулевой широты требуется меньшее.

Ученые стали замечать корреляцию между сейсмической активностью за год и скоростью вращения Земли вокруг своей оси. Считается, что прямой взаимосвязи между этими двумя явлениями нет, но специалистам важно находить какие-либо зацепки, которые, во-первых, дадут большее понимание нашей планеты, а во-вторых, могут спасти тысячи жизней.

Так как все циклично, так и вращение нашей родной планеты циклично. Земля имеет пятилетние периоды циклического торможения и ускорения.

Колебание земной оси

В физике существует два понятия, которые используются для описания колебаний оси Земли — прецессия и нутация.

Прецессия — это такое явление, при котором момент импульса небесного тела меняет свою направленность в пространстве.

Такое движение можно увидеть на примере волчка, который при запуске имеет вертикальную ось вращения, но волчок имеет свойство постепенного замедления, в процессе которого скорость начинает теряться.

Из-за этого ось начинает постепенно отклоняться от привычной вертикали. За счет этого волчок начинает описывать форму подобную конусу.. Подобное движение и есть прецессия.

Материалы по теме:

Почему Земля круглая?

С Землей дела обстоят серьезнее и медленнее. Такую особенность в движении нашей родной планеты заметил еще античный географ и астроном Гиппарх, назвав это явление преддверием равноденствия. Цикл процессии у Земли крайне долгий — 25 тысяч лет.

Именно с таким движением планеты ученые связывают периодические изменения в климате.

Нутация — это довольно слабое движение, которое напоминает своего рода качание или же кивание, характерное для твердого тела, совершающего процессию. Это небольшие колебания земной оси, накладывающиеся на прецессионное движение.

Движение Земли вокруг Солнца

Вращение Земли вокруг Солнца

Не стоит забывать, что движение Земли состоит не только из ее собственного вращения, но еще и движения вокруг Солнца. Наш дом находится примерно на расстоянии 149 600 000 километров от звезды.

Весь путь вокруг звезды наша планета совершает за 365,256 дней со скоростью равной 108 000 км/ч или 30 км/с.

Интересный факт: люди признали, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, лишь в 16 веке! За такое “богохульство” некоторые ученые даже поплатились жизнью.

Солнечная система не является каким-то статическим объектом, который не двигается. На самом деле одновременно со всеми вращениями, которые происходят в системе, она сама движется с огромной скоростью.

Материалы по теме:

Можно ли предсказать землетрясение?

Солнце находится на расстоянии примерно равном 26 000 световых лет от центра галактики Млечный Путь, ширина которой составляет примерно от 80 000 до 120 000 световых лет. А толщина ее составляет 7 000 световых лет.

Наша система находится на одном из дальних рукавов ближе к краю. Ей требуется примерно 200-250 миллионов лет, чтобы совершить один оборот вокруг центра нашей галактики.

На этой орбите Солнечная система движется со скоростью около 250 км/с.

Движение Солнечной системы в нашей галактике

Млечный Путь в свою очередь так же относится к еще большей системы — Местная группа. Такое название ученые дали гравитационно связанной группе галактик, к которой и относится наша родная. В этой системе Млечный Путь движется со скоростью примерно 300 км/с.

Что же будет, если Земля вдруг резко остановится?

Вероятность того, что вы можете в любой момент просто вылететь в открытый космос, равна нулю. В этом вам помогает гравитация, которая безустанно притягивает нас к земле.

Но гравитация на Земле не везде одинаковая! Наша планета имеет сферическую форму и за счет вращения вокруг оси, Земля немножко приплюснута у полюсов.

Скорость на самой широкой окружности должна быть наивысшей — такой окружностью является экватор. Гравитация на экваторе на 0.3% сильнее!

Если вращение самого небесного тела прекратиться, то движение атмосферы никто не остановит, поэтому все, что находилось на поверхности земли будет разрушено сильным ветром.

И это касается не только людей и животных, но и зданий, деревьев, и даже верхних слоев почвы!

Материалы по теме:

Что такое комета?

Вариант с постепенным замедлением же является реальной ситуацией, с которой наша планета столкнется в далеком будущем. Наименьшая скорость, до которой может Земля опуститься, равна одному обороту в 365 дней.

Такая ситуация называется “синхронностью солнца”. Тогда одна сторона будет всегда повернута к Солнцу, другая же — как и у Луны, вечно будет во тьме.

Но к подобной ситуации, в целом, по заявлениям НАСА, можно будет привыкнуть.

Вернемся опять к полной остановке: если Земля остановится совсем, то скорее всего пропадет магнитное поле, которое создается в первую очередь благодаря спину планеты.

Из-за этого мы потеряли бы радиационные пояса Ван Аллена и северные сияния, что оставило бы нас совершенно беззащитными перед космической радиацией.

В таком случае, при каждом всплеске радиации на Солнце, Земля бы получала такую дозу излучения, что вряд ли бы осталось что-то живое.

Но не переживайте! Вероятность таких сценариев практически равна нулю!

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: https://kipmu.ru/s-kakoj-skorostyu-dvizhetsya-zemlya-vokrug-svoej-osi-i-solnca/

Какова скорость электрона в токовом несущем проводнике? – Природа – 2020

Несколько человек, кажется, в путанице почти идентичных понятий, были убеждены, что электроны в проводнике движутся с той же скоростью, что и свет.

Вы действительно думаете, что если бы вы одновременно стреляли лазерным лучом с Земли на детектор на Марсе и пропускали электричество через многомиллионный провод, соединяющий батарею на Земле и лампу на Марсе, тогда детектор и лампочка бы загораются в одно и то же время?

Является ли свет, излучаемый солнцем, и электроны в проводнике движутся с одинаковой скоростью? (Изображение: Pixabay.com)

Почему электроны не могут путешествовать со скоростью света

Электрон не может выиграть гонку в вакууме, не говоря уже о проводнике. Электрон не может двигаться с той же скоростью, что и свет, по той простой причине, что он имеет массу. Свет – самая быстрая вещь во Вселенной, потому что она безмассовая; он не несет с собой никакого багажа и не проявляет абсолютно никакой инерции, которая препятствует его движению.

Свет – самая быстрая вещь во Вселенной, потому что она безмассовая. ( Pexels)

Масса электрона может быть смехотворно малой по величине, но этого достаточно, чтобы предотвратить перемещение частицы со скоростью 300 миллионов м / с. Фактически, пренебрегая фотоном, поскольку он безмассовый, электрон даже не самая легкая частица, которую мы еще не обнаружили; этот титул принадлежит нейтрино. Электрон почти в 500 000 раз более массивный, чем нейтрино.

Скорости электричества

Таким образом, скорость отдельного электрона является его скоростью между столкновениями. Сколько времени занимает электрон, чтобы проехать, возможно, один нанометр? Индивидуальная скорость измеряется в миллисекуметрах в секунду. Однако, поскольку их движение является случайным, каждый электрон сжимается с другой скоростью.

Средняя или скорость дрейфа

Некоторые электроны путешествуют очень быстро, а другие – нет. Очевидно, что средний показатель будет намного меньше миллиона метров в секунду.

Однако поразительно то, что усреднение скоростей катапультирует десятичную точку влево на расстояние, которое невозможно было бы даже представить.

Скорость дрейфа электронов через медный провод с площадью поперечного сечения 3, 00 × 10 -6 м 2, несущая ток 10 А, составляет примерно 2, 5 · 10 -4 м / с или одну четверть миллиметра в секунду!

постоянно пренебрежимо мала. Скорость дрейфа переменного тока в сто до тысячи раз меньше скорости дрейфа постоянного тока. В то время как для вышеупомянутого медного провода с постоянным током составляло 250 микрометров в секунду, для одного провода с переменным током он составлял 0, 25 микрометра в секунду.

Даже контактная точка или выключатель, через который электроны выходят из себя, длиннее 0, 25 мкм.

Помните, что электроны, которые составляют ток переменного тока, в отличие от тех, которые составляют постоянный ток, не двигаются линейно вперед, а вместо этого чередуются между терминалами; если они чередуются со скоростью 0, 25 микрометра в секунду, то они, как ни парадоксально, не входят в схему вообще?

Скорость сигнала

( Pixabay)

Правда, электромагнитные волны распространяются со скоростью света; фактически, сам свет – это электромагнитная волна. Однако скорость электромагнитной волны зависит от свойств среды, в которой она движется.

Волны, которые электроны излучают, движутся со скоростью 300 миллионов метров в секунду в вакууме, но они будут двигаться с одинаковой скоростью в проводнике только в том случае, если это позволяет его структура или геометрия.

Волны или то, что называется сигналом, могут перемещаться где угодно между 50% -90% скоростью света в зависимости от того, движутся ли электроны в «плохом» или «хорошем» проводнике.

Если электроны буквально дрейфуют, чтобы закончить цепь, как лампа в вашей спальне, таким образом, светится почти мгновенно? Хорошо, потому что влияние электромагнитных волн или сигнала распространяется не на скорость света, а со скоростью, достаточно большой, чтобы воспринимать ее как мгновенно. По этой причине гонка также не может закончиться ничьей; фотон всегда будет побеждать.

Подумайте об этом так: изобразите очередь бесстыдно нетерпеливых людей, которые с тревогой нервничают в своих местах. Внезапно последний человек в очереди решает подтолкнуть человека впереди, который, следовательно, толкает тот, который находится перед ней, и так далее.

Толкание или сигнал «перемещается» мгновенно, но сам человек или сам электрон нет. Если бы люди стояли в очереди, чтобы войти в дверь, раздвинутый толчок, очевидно, сначала дошел до двери. Однако первый толкатель все еще был намного дальше.

Люди будут продолжать тревожно запыхаться, просто как отдельные электроны застегиваются на огромные скорости. Очередь в среднем, однако, движется вперед в тупой темпе.

Источник: https://rus.topbrainscience.com/what-is-speed-electron-current-carrying-conductor-21213