Как определяется скорость электричества?

Я думаю, основная проблема в том, что «электричество», как вы его описываете, на самом деле не существует. Слово «электричество» имеет много отдельных и противоречивых определений, поэтому оно не может служить полезным термином в физике.

Аналогия: если бы вы спрашивали о «скорости оптики», никто не мог бы ответить, так как слово «оптика» могло означать несколько совершенно разных вещей. Скорость падения линз? :) Чтобы задать осмысленный вопрос, спросите о светосиле линз или, возможно, о скорости света и избегайте слова «оптика».

Точно так же слово «электричество» не имеет узкого научного определения. Единого «электричества» не существует. Это слово обычно используется для обозначения распространения электромагнитной энергии по проводам (которые движутся почти со скоростью света). Но «скорость электричества» также относится к потоку зарядов во время электрического тока (который дрейфует со скоростью сантиметров в минуту и ​​менее). .) Это слово также может означать любые электрические явления: провода — это электричество, искры — это электричество, батарейки — это электричество (но транзисторы — это не электричество, а электроника. Видите, сбивает с толку!)

Другими словами, искры сделаны не из «электричества», не больше, чем линзы из «оптики» или велосипедные шестерни из «физики». Чтобы задать разумный вопрос, избегайте слова «электричество», поскольку оно имеет несколько противоречивых значений.

Скорость электрической энергии: примерно скорость света, но ниже c из-за показателя преломления диэлектрика кабеля.

Скорость электрического тока: очень низкая «скорость дрейфа» носителей заряда, но она пропорциональна току, размеру проводника (площади сечения) и плотности носителей (например, металл по сравнению с соленой водой по сравнению с электронными лучами). -дрейф, и при нулевом токе носители заряда останавливаются.

Какова скорость вылетающих искр? Искры являются примером электрической плазмы, также называемой «плазменными стриммерами». Скорость заметно прыгающей искры равна скорости роста кончика плазменного стримера. Когда плазменный стример расширяется, плазма не движется. Вместо этого азот и кислород в воздухе перед искрой превращаются в плазму, которая увеличивает кончик растущего лидера. Молния — это постепенное превращение воздуха в плазму. Другими словами, молния на самом деле представляет собой «фигуру Лихтенберга», сделанную из азота и кислорода, а не из сырого дерева. Эти деревянные фракталы образуются путем преобразования изолирующего дерева в проводящие углеродные дорожки, в то время как молния — это преобразование изолирующего воздуха в проводящие плазменные дорожки.

Такой рост может иметь много разных скоростей, от нулевой скорости нерастущих корон, отображаемых Лестницами Иакова и крошечными катушками Теслы, до легко видимого роста молнии Ползунка Наковальни, до чрезвычайно быстрого распространения «ступенчатых лидеров» в более крупной молнии. увольнять.

Посмотрите примеры как ступенчатых, так и непрерывных молний, ​​видео со скоростью 9000 кадров в секунду:

https://www.youtube.com/watch?v=4q6gHWN8fDE

https://www.youtube.com/watch?v=Q6h9jfURJ6Q

Или посмотрите на узоры молний «наковальни», относительно медленно распространяющиеся по горизонтальному основанию шторма:

https://www.youtube.com/watch?v=Y5CzaVctGWg&t=1s

«Скорость удара молнии» — это скорость, с которой электрическое поле распространяется в воздухе. Между облаками и землей устанавливается разность потенциалов, и эта разность потенциалов резко возрастает. Пути ионизированного воздуха создаются между облаками и землей. Когда эти пути соединяют облака и землю, вы получаете разряд, который вы видите как молнию. Однако великая вспышка, которую вы видите, не является движением электронов. Эта связь позволяет передавать электрическую энергию, и эффекты этой передачи энергии (ионизация воздуха при соединении между землей и облаками в очень яркую плазму) движутся с любой скоростью распространения света в воздухе, поскольку фотоны ответственны за электромагнитную силу. Этот процесс аналогичен проводам.

Скорость дрейфа электронов также обусловлена ​​приложением электрического поля. Однако электроны не движутся в проводе со скоростью электрического поля в проводе. Перед приложением поля электроны беспорядочно перемещаются внутри материала. При приложении поля этому хаотичному движению придается направление, но его величина обычно очень мала и зависит от многих факторов. Из Википедии скорость дрейфа$u$является

$$u=\frac{m\sigma\Delta V}{\rho efl},$$ где $m$– молекулярная масса металла, кг; $\Delta V$напряжение, приложенное к проводнику, В; $\rho$- плотность (масса на единицу объема) проводника, в $\text{kg}/\text{m}^3$; $e$- элементарный заряд, Кл; $f$– число свободных электронов на атом; $l$- длина проводника, м; $\sigma$– электропроводность среды при рассматриваемой температуре, См/м.

Итак, чтобы подвести итог и, возможно, быть более ясным, единственные «скорости», которые существуют в этом случае, - это электромагнитное распространение и скорость дрейфа. Причина, по которой молния такая быстрая, заключается в том, что вы видите эффекты распространения электрического поля в воздухе. То, что следует далее, очень неформально, но, возможно, более удобоваримо. Единицами напряженности электрического поля являются В/м, поэтому, если вы примете во внимание огромную разность потенциалов или напряжение между облаками и землей, вы можете понять, что величина электрического поля между ними также огромна. Эта напряженность поля достигает точки, когда электроны могут отрываться от атомов для создания плазмы. и именно это отделение электронов от атомов происходит со скоростью света в воздухе (последовательно между облаками и землей в связи, установленной из путей ионизированного воздуха в первом абзаце). Эта ионизация испускает видимые фотоны. Интуитивно человек связывает в своем уме вспышку молнии как результат движения электронов, но на самом деле это вовсе не связано с движением электронов.

Редактировать: я часто говорю здесь «скорость света в проводе / пути», но физически внутри проводников нет электрического поля, поэтому внутри не происходит распространения. Спасибо @andars за указание на это.