Światła zapalają się bardzo szybko, kiedy włączam przełącznik. Jak szybko elektryczność płynie w przewodzie?
listopad 2001
Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy przyjrzeć się materii na najbardziej podstawowym poziomie. Materia składa się z małych jednostek zwanych atomami. Na tym poziomie atomowym materia posiada dwie podstawowe cechy. Materia ma masę i może mieć ładunek elektryczny, albo dodatni, albo ujemny, albo może być neutralna bez ładunku. Każdy atom zawiera trzy rodzaje cząstek o różnych właściwościach: dodatnie protony, neutralne neutrony i ujemne elektrony.
Prąd elektryczny (elektryczność) to przepływ lub ruch ładunku elektrycznego. Prąd elektryczny, który jest przewodzony przez miedziane przewody w Twoim domu składa się z poruszających się elektronów. Protony i neutrony atomów miedzi nie poruszają się. Rzeczywisty postęp poszczególnych elektronów w danym kierunku przez przewód jest dość powolny. Elektrony muszą pokonać drogę przez miliardy atomów w drucie, a to zajmuje sporo czasu. W przypadku drutu miedzianego o przekroju 12 mm, w którym płynie prąd o natężeniu 10 amperów (typowe okablowanie domowe), poszczególne elektrony poruszają się jedynie z prędkością około 0,02 cm na sekundę lub 1,2 cala na minutę (w nauce nazywa się to prędkością dryfu elektronów). Jeśli tak wygląda sytuacja w przyrodzie, to dlaczego światła zapalają się tak szybko? Przy tej prędkości dotarcie do świateł zajęłoby elektronom godziny.
Atomy są bardzo małe, mają mniej niż miliardową część metra średnicy. Drut jest „pełen” atomów i wolnych elektronów, a elektrony poruszają się pomiędzy atomami. W typowym drucie miedzianym w każdej sekundzie obok dowolnego punktu drutu przepływają biliony elektronów, ale przepływają one bardzo powoli. Pomyśl o drucie w porównaniu do rury pełnej kulek. Jeśli wepchniemy kolejny kamyk do wypełnionej rury, to jeden kamyk będzie musiał opuścić jej drugi koniec. Elektrony są jak te w drucie. Jeśli jeden się poruszy, wszystkie muszą się poruszyć. Tak więc kiedy włączasz przełącznik, różnica potencjałów elektrycznych (wytworzona przez generator) natychmiast wywołuje siłę, która próbuje poruszyć elektrony. Jeśli sprawisz, że jeden elektron się poruszy, gdy włączysz przełącznik, elektrony w całym przewodzie poruszą się, nawet jeśli przewód jest długi na wiele mil. Dlatego też, kiedy wł±czamy wył±cznik, elektrony w ¶wietle zaczynaj± się poruszać „natychmiast”, o ile o nas chodzi, tzn. co¶ zaczyna się dziać w całym systemie elektrycznym. Mimo, że elektrony w rzeczywistości poruszają się przez przewód powoli, mówimy, że prędkość elektryczności jest bliska prędkości światła (ekstremalnie szybka). Tak naprawdę chodzi nam o to, że efekty działania elektryczności pojawiają się „natychmiast”. Światło zapala się natychmiast po przekręceniu przełącznika. Nie musisz czekać, aż elektrony przepłyną z przełącznika do światła.