電流の速さ
この思考実験をしてみましょう。都市から100キロメートル離れたところに村があり、都市からその村まで約100キロメートルの先端に電球が付いた有線信号線が敷設されているとします。シールド付き2芯線で、道路沿いの支柱の上に敷設されています。そして、この回線を介して町から村へ信号を送信した場合、そこで受信されるまでどれくらい時間がかかりますか?
計算と経験によれば、電球の形の信号は、少なくとも 100/300000 秒、つまり少なくとも 333.3 μs (ワイヤのインダクタンスを考慮しない場合) で相手側に現れることがわかります。村に行くと明かりが点灯します。これは、電線に電流が流れることを意味します（たとえば、直流電流を使用します）。 充電されたコンデンサ).
100 はワイヤー内の各静脈の長さをキロメートル単位で表し、毎秒 300,000 キロメートルは光の速度、つまり伝播の速度です。 電磁波 真空中で。そう、「電子の運動」は電線に沿って光の速さで伝わります。
しかし、電子が光の速度で次々と動き始めるという事実は、電子自体がそのような途方もない速度でワイヤー内を移動していることをまったく意味しません。金属導体、電解質、または他の導電性媒体中の電子またはイオンはそれほど速く移動できません。つまり、電荷キャリアは光の速度で相互に移動しません。
この場合の光速度は、ワイヤ内の電荷キャリアが次々と動き始める速度、つまり、電荷キャリアの並進運動の伝播速度です。電荷キャリア自体の「ドリフト速度」は、直流、たとえば銅線では 1 秒あたりわずか数ミリメートルです。
この点を明確にしておきましょう。充電されたコンデンサーがあり、コンデンサーから 100 キロメートル離れた村に設置された電球からの長いワイヤーをそれに接続するとします。ワイヤの接続、つまり回路の閉鎖はスイッチを手動で行います。
何が起こるか？スイッチが閉じると、コンデンサに接続されているワイヤの部分内で荷電粒子が移動し始めます。電子がコンデンサの負のプレートから出て、コンデンサの誘電体の電場が減少し、反対側（正）のプレートの正電荷が減少します。電子は、接続されたワイヤからそれに流れ込みます。
したがって、プレート間の電位差は減少します。そして、コンデンサに隣接するワイヤ内の電子が移動し始めると、ワイヤ上の離れた場所から他の電子がその場所にやって来ます。言い換えれば、電場の作用によりワイヤ内の電子の再分布のプロセスが始まります。閉回路内で。このプロセスは電線に沿ってさらに広がり、最終的に信号灯のフィラメントに到達します。
したがって、電場の変化はワイヤに沿って光の速度で伝播し、回路内の電子を活性化します。しかし、電子自体はもっとゆっくりと動きます。
先に進む前に、水力学的例えを考えてみましょう。ミネラルウォーターを村からパイプを通して街へ流します。朝、村でポンプが起動され、村の水源からの水を都市に強制的に移動させるためにパイプ内の水圧が上昇し始めました。圧力の変化はパイプラインに沿って非常に急速に、あるスピードで広がりました。約1400 km / s（水の密度、温度、圧力の大きさによって異なります）。
村でポンプが作動してからほんの数秒で、水が街に流れ込み始めました。しかし、これは現在村を流れている水と同じなのでしょうか？いいえ！この例では、水分子は互いに押し合い、ずれの速度は圧力の大きさに依存するため、水分子自体ははるかにゆっくりと動きます。分子同士の衝突は、チューブに沿った分子の移動よりも何桁も速く伝播します。
電流も同様です。電場の伝播速度は圧力の伝播に似ており、電流を形成する電子の移動速度は水分子の直接の移動に似ています。
さて、電子の話に直接戻りましょう。電子 (または他の電荷キャリア) の規則的な運動の速度はドリフト速度と呼ばれます。その電子はアクションを通じて獲得します 外部電場.
外部電場がない場合、電子は熱運動のみによって導体内を無秩序に移動しますが、方向性電流がないため、平均のドリフト速度はゼロになります。
外部電場が導体に印加されると、導体の材質、電荷キャリアの質量と電荷、温度、電位差に応じて、電荷キャリアは動き始めますが、その速度はこの動きの速度は光の速度より大幅に小さくなり、毎秒約 0.5 mm になります (10 A の電流が流れる断面積 1 mm2 の銅線の場合、電子ドリフトの平均速度は 0.6 mm になります)。 6mm/秒）。
この速度は、導体の自由電荷キャリアの濃度 n、導体の断面積 S、粒子 e の電荷、電流 I の大きさに依存します。電流（電磁波の前面）が電線に沿って光の速度で伝播するという事実は、電子自体ははるかにゆっくりと移動します。電流の速度は非常に遅い速度であることがわかります。