Если есть электрическая цепь с лампочкой, и после того, как я подключу батарею для пропуска электрического тока, она внезапно загорится. Многие люди говорят, что ток возникает мгновенно из-за присутствия электронов по всей металлической проволоке, но не придется ли им перемещаться на некоторое расстояние, чтобы на самом деле получить кинетическую энергию, которая затем может быть преобразована в тепловую энергию, чтобы заставить лампу светиться (считай, без светодиодов)? Тогда почему лампочка вдруг загорается?
Происходит несколько вещей.
Во-первых, лампочка на самом деле не загорается «мгновенно» — нить накала имеет конечную теплоемкость, поэтому требуется некоторое время, чтобы нагрев привел к получению нити с максимальной яркостью (которая зависит от температуры).
Во-вторых, сопротивление нити накала обычно увеличивается с температурой, поэтому, пока нить накала холодная, ток будет больше. Если ваш источник энергии имеет нулевой внутренний импеданс (это не относится к практичной батарее), тогда будет очень высокий начальный ток. Единственное, что ограничивает рост тока, - это индуктивность цепи - индуктор сопротивляется изменению тока, а индуктивность простого контура очень мала.
Все это происходит очень быстро, поэтому может показаться, что лампочка включается мгновенно. Но если у вас есть фотоэлемент и осциллограф, вы увидите, что это требует времени. Самая медленная часть, вероятно, это нагрев нити накала.
Вот аналогия. Представьте себе кучу шариков, выстроенных в одну линию. Вы стреляете другим шариком в первый шарик в ряду. Каждый шарик в очереди попадает в следующий шарик в ряду, пока последний шарик не выстрелит. Шарик, которым вы выстрелили, имел бы определенную кинетическую энергию, но вместо этого он попал в следующий шарик. Последний шарик получает кинетическую энергию, а не тот, которым вы выстрелили.
Теперь представьте, что в дальнем конце мраморной линии находится гвоздь, воткнутый в кусок дерева. Теперь, когда вы стреляете шариком в ближний конец линии, шарики сталкиваются друг с другом по линии, пока последний шарик не ударит по гвоздю, вбивая его в дерево. Ни один из шариков не обладает кинетической энергией. Вся энергия выстрела уходит на работу по забиванию гвоздя в дерево.
Электричество аналогично. Электрон, выходящий из 9-вольтовой батареи, будет иметь кинетическую энергию 9 эВ, если он будет перемещаться от одного терминала к другому в вакууме. Но вместо этого электрон входит в проводящую проволоку. Там он сталкивается с другими электронами в проводе, толкая их вместо того, чтобы двигаться с какой-либо скоростью. Электроны в проводе толкают другие электроны дальше по проводу, пока не загорится лампочка. Там энергия батареи уходит на нагрев провода вместо того, чтобы с той же силой толкать электроны.
Подобно шарикам, забивающим гвоздь, энергия электронов, выходящих из батареи, преобразуется в тепло и свет, а не в кинетическую энергию. Также, как и в случае с шариками, толчок проходит по линии шариков/электронов быстрее, чем любой отдельный шарик/электрон.
Киберакс
Флорис