С какой скоростью двигается электрон?
Когда мы говорим об элементарных частицах, в голову сразу же приходят световые скорости и мгновенная передача данных. Но поверите ли вы, что электрон на самом деле движется даже медленнее, чем обычная улитка? Попробуем устроить небольшое соревнование и наглядно доказать, что улитка сможет опередить электрон.
Итак, проведем сравнение конкурентов.
Улитка – это брюхоногое, обитающее в лесах, парках, лугах и близ водоемов. Питается дикими и культурными растениями. Носит на спине красивую раковину, в которой пережидает зиму.
Электрон – это отрицательно заряженная элементарная частица, «обитающая» в атомах всех химических элементов. Электроны любят «питаться» электрическим полем, под воздействием которого начинают упорядоченно двигаться в определенную сторону, создавая электрический ток и активируя подключенные к розетке телефоны.
Казалось бы, какое может быть сравнение скоростей между улиткой, ползущей по земле, и электронами, двигающимися в проводе? Ведь скорость улитки составляет не больше 3 м/ч, а Но всё-таки у улитки существует возможность опередить электрон в скорости, и произойдет это в тот момент, пока элементарная частица движется в проводнике.
На первый взгляд, кажется, что электроны двигаются в проводе с огромной скоростью — ведь когда мы нажимаем на выключатель, лампочка в комнате загорается мгновенно. Но на самом деле это не электроны бегут по проводу со световой скоростью, а электрическое поле (то самое, которым «питаются» электроны) распространяется по всему проводнику со скоростью света, заставляя электроны упорядоченно двигаться в одну сторону одновременно по всей длине провода.
А скорость движения самих электронов не такая уж и большая. Её можно вычислить по следующей формуле:
I= n·A·V·Q, где
Q – заряд электрона;
Например, сила тока равна 1 Ампер, количество электронов в медном проводе составляет 8.5 × 1028 на м3, заряд электрона равняется 1.6 × 10-19 , сечение провода возьмем 0,8 мм2.
Чтобы найти V, нам необходимо будет I поделить на n·A· Q. Произведя вычисления, мы получим результат, равный 1,4×10-4 м/с. Это значит, что за одну секунду электрон проходит примерно одну седьмую часть миллиметра. Получается, час электрон сможет преодолеть расстояние, приблизительно равное 0,5 метра. Улитка же в это время, как мы помним, успеет преодолеть целых 3 метра.
Получается, электрон останется далеко позади, и заслуженную победу одержит улитка.
Источник: https://mydiscoveries.ru/s-kakoy-skorostyu-dvigaetsya-elektron
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
Где T – это время от вспышки до грома, а L – это расстояние от нас до молнии в метрах.
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
Надеемся, что ознакомившись с этим обзором, вы нашли ответ на вопрос почему ток не бежит по кабелям со скоростью света и вспомнили кое-что из школьного курса физики, а это, согласитесь, крайне полезно в любом возрасте.
Источник: https://elektrika-ok.ru/elektrooborudovanie/o-produkcii/pochemu-tok-v-rozetke-i-provodah-ne-bezhit-so-skorostyu-sveta
Формула силы Лоренца
Определение
Сила , действующая на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле, равная:
называется силой Лоренца (магнитной силой).
Исходя из определения (1) модуль рассматриваемой силы:
где – вектор скорости частицы, q – заряд частицы, – вектор магнитной индукции поля в точке нахождения заряда, – угол между векторами и. Из выражения (2) следует, что если заряд движется параллельносиловым линиям магнитного поля,то сила Лоренца равна нулю. Иногда силу Лоренца стараясь выделить, обозначают, используя индекс:
Направление силы Лоренца
Сила Лоренца (как и всякая сила) – это вектор. Ее направление перпендикулярно вектору скорости и вектору (то есть перпендикулярно плоскости, в которой находятся векторы скорости и магнитнойиндукции) и определяется правилом правого буравчика (правого винта) рис.1 (a). Если мы имеем дело с отрицательным зарядом,тонаправление силы Лоренца противоположно результату векторного произведения (рис.1(b)).
вектор направлен перпендикулярно плоскости рисунков на нас.
Следствия свойств силы Лоренца
Так как сила Лоренца направлена всегда перпендикулярно направлению скорости заряда, то ее работа над частицей равна нулю. Получается,что воздействуя на заряженную частицу при помощи постоянного магнитного поля нельзя изменить ее энергию.
Если магнитное поле однородно и направлено перпендикулярно скорости движения заряженной частицы, то заряд под воздействиемсилы Лоренца будет перемещаться по окружности радиуса R=const в плоскости, которая перпендикулярна вектору магнитной индукции.При этом радиус окружности равен:
где m – масса частицы,|q|- модуль заряда частицы, – релятивистский множитель Лоренца, c – скорость света в вакууме.
Сила Лоренца — это центростремительная сила. По направлению отклонения элементарной заряженной частицы в магнитном поле делают вывод о ее знаке (рис.2).
Формула силы Лоренца при наличии магнитного и электрического полей
Если заряженная частица перемещается в пространстве, в котором находятся одновременно два поля (магнитное иэлектрическое), то сила, которая действует на нее, равна:
где – вектор напряженности электрического поля в точке, в которой находится заряд.Выражение (4) было эмпирически получено Лоренцем. Сила, которая входит в формулу (4) так же называется силой Лоренца(лоренцевой силой).
Деление лоренцевой силы на составляющие: электрическую и магнитную относительно, так как связано с выбором инерциальной системы отсчета.
Так, если система отсчета будет двигаться с такой же скоростью, как и заряд, то в такой системе сила Лоренца, действующая на частицу, будет равна нулю.
Единицы измерения силы Лоренца
Основной единицей измерения силы Лоренца (как и любой другой силы) в системе СИ является: [F]=H
В СГС: [F]=дин
Примеры решения задач
Пример
Задание. Какова угловая скорость электрона, который движется по окружности в магнитном поле с индукцией B?
Решение. Так как электрон (частица имеющая заряд) совершает перемещение в магнитном поле, то на него действует сила Лоренца вида:
где q=qe – заряд электрона. Так как в условии сказано, что электрон движется по окружности, то это означает, что, следовательно, выражение для модуля силы Лоренца примет вид:
Сила Лоренцаявляется центростремительной и кроме того, по второму закону Ньютона будет в нашем случае равна:
Приравняем правые части выражений (1.2) и (1.3), имеем:
Из выражения (1.3) получим скорость:
Период обращения электрона по окружности можно найти как:
Зная период, можно найти угловую скорость как:
Ответ.
Пример
Задание. Заряженная частица (заряд q, масса m) со скоростью vвлетает в область, где имеется электрическое поле напряженностью E и магнитное поле с индукцией B. Векторы и совпадают по направлению. Каково ускорение частицы в моментначалаперемещения в полях, если?
Решение. Сделаем рисунок.
На заряженную частицу действует сила Лоренца:
Магнитная составляющая имеет направление перпендикулярное вектору скорости () и векторумагнитной индукции ().Электрическая составляющая сонаправлена с вектором напряжённости () электрического поля.В соответствии со вторым законом Ньютона имеем:
Получаем, что ускорение равно:
Если скорость заряда параллельна векторам и, тогда , получим:
Ответ.
Читать дальше: Формула силы натяжения нити.
Вы поняли, как решать? Нет?
Источник: https://www.webmath.ru/poleznoe/formules_21_29_sila_lorenca.php
