Скорость света в металле

Обновлено: 19.05.2024

Если атом теряет хоть один электрон, он теряет свою электронную стабильность. Теперь суммарный положительный заряд всех протонов в ядре по абсолютному значению больше отрицательного заряда электронов. Такой атом называют положительным ионом.

В таком строении кроется ответ на вопрос: “Почему в обычных условиях металл электрически нейтрален?”.

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решетки.

Обратите внимание на тот факт, что не все электроны в металлах являются свободными. Часть из них остается связанными с ядрами атомов, а другая их часть — беспорядочно движется между этими атомами.

Эти электроны изначально находятся на самых удаленных от ядра орбитах. Они слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому, повторяя этот процесс множество раз. Именно это движение мы и называем беспорядочным движением свободных электронов.

Ток в металлах

Создадим в металле электрическое поле с помощью любого источника тока. Положительные ионы останутся в узлах кристаллической решетки. В движение придут именно свободные электроны под действием электрических сил. Их движение станет направленным (рисунок 2).

При этом сохранится и беспорядочность этого движения. Как это можно представить? Вообразите себе стайку мошкары, где каждое насекомое беспорядочно двигается. Если подует ветер, то эта стайка начнет перемещаться в одном направлении, при этом беспорядочное движение внутри этой стайки сохранится. На это и будет похоже движение электронов под действием электрических сил.

Теперь мы можем определить природу электрического тока в металлах и дать ему определение.

Электрический ток в металлах — это упорядоченное движение свободных электронов.

Доказательные опыты

Сделанные нами выводы построены не просто на рассуждениях, но и множество раз доказаны эмпирически. Российские ученые Леонид Исаакович Мандельштам (рисунок 3) и Николай Дмитриевич Папалекси (рисунок 4) провели ряд интересных опытов. Эти опыты позже были подтверждены американскими физиками Бальфуром Стюартом и Робертом Толменом.

Рисунок 3. Леонид Исаакович Мандельштам (1879 — 1944) — российский и советский физик, один из основателей научной школы радиофизики

Рисунок 4. Николай Дмитриевич Папалекси (1880 — 1947) — российский и советский физик, основоположник радиоастрономии

Суть опытов заключалась в следующем. Уже известно, что в металле есть какие-то свободные заряды, и они обладают массой. Тогда они должны испытывать на себе инерцию.

Для проверки этого предположения металлический проводник нужно было привести в движение, а затем резко остановить. Для удобства использовали вращательно движение, а не поступательное.

Металлическую проволоку наматывали на деревянный каркас и раскручивали (рисунок 5). После резкой остановки с помощью гальванометра фиксировали возникновение тока.

Было определено, что именно электроны вылетали из проводника. Установили это, определяя отношение заряда к массе его носителя. Эти данные для электрона у ученых уже имелись.

Скорость распространения электрического поля и тока в металлах

После создания электрического поля свободные электроны приходят в движение. Скорость их движения совсем небольшая. В среднем она составляет несколько миллиметров в секунду.

Но как тогда после щелчка выключателем лампа в комнате загорается мгновенно? Дело обстоит в следующем.

Именно само электрическое поле распространяется в проводнике с огромной скоростью. Она близка к скорости света в вакууме ($c = 300 \space 000 \frac$). Распространяется поле по всей длине проводника.

Соответственно, в движение приходят одновременно все электроны в проводнике. И те, что ближе к выключателю, и те, что ближе к электроприбору.

Например, пошлем электрический сигнал из Владивостока в Москву. Расстояние между этими городами составляет около 8000 км. В Москве сигнал будет зафиксирован уже через 0,03 с. Это не означает, что электроны от Владивостока проделали весь этот путь за указанное время и прибыли в Москву. Нет, это электрическое поле распространилось по проводам с невероятной скоростью и привело в движение самые ближние к приемнику в Москве электроны в движение, которое и было зафиксировано.

Поэтому, когда говорят о скорости распространения тока в проводнике, то имеется в виду скорость распространения электрического поля по всей длине проводника.

Скорость движения электронов в металлах

С какой скоростью все же двигаются сами электроны в металлах? Давайте ответим на этот вопрос и сравним полученную скорость со скоростью света, т.е. со скоростью распространения электрического поля по проводнику.

Скорость движения электронов при действии на них электрических сил называется дрейфовой скоростью.

Величина дрейфовой скорости электронов лежит в пределах $0.6 — 6 \frac$.

Сравним среднее значение этой скорости ($2.7 \frac$) со скоростью света. Для этого переведем значение, выраженное в $\frac$ в $\frac$:
$\upsilon_e = 2.7 \frac = 2.7 \cdot 10^ \frac$.

Получается, что скорость распространения электрического поля по проводнику (скорость света) больше в $10^$ раз скорости движения электронов под действием этого же электрического поля.

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.

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.

Как сравнить скорость электронов в металлах со скоростью света?

Условно можно представить расположение электронов в проводе в виде эдакого паровозика. Где при воздействии на крайний, тут же воздействие передастся на последний. То есть практически мгновенно. Но поскольку ничего быстрее скорости света быть не может, то и приравняли скорость движения электронов (электротока) к скорости света.

По величине. Потому что как ещё можно сравнивать скорости.

А, да, по направлению. Ну, направление и там, и там можно считать одинаковым - вдоль провода. Так что остаётся только величина.

И разница тут огромная. Электроны в металле движутся со скоростью черепахи - миллиметры в секунду. Это связано с тем, что их в металле до фига. Их там примерно 10^22 - 10^23 штук в кубическом сантиметре. Поскольку плотность тока с концентрацией и скоростью связана простым соотношением j = env (e - заряд электрона), то не штука сосчитать, что при плотности тока, скажем, в 1 А/мм² и концентрации в 5*10^22 1/см³ = 5*10^19 1/мм³ скорость составит 0,125 мм/с.

Мда. пожалуй, черепаха быстрее будет.

Знаменитая формула Эйнштейна E=mc2 истинна уже потому, что она работает. А ваша работает?

И еще в Вашей формуле размерности справа и слева не совпадают, то есть слева "джоуль", а справа непонятно что "Дж*м/с". Поэтому я считаю, что Эйнштейна вам не одолеть)).

Движение электрона в атоме описывается квантовой механикой, а не классической. А в квантовой механике понятие движущегося по определённой орбите электрона некорректно. В квантовой механике электрон в принципе не может находиться в каком-то определённом месте в какой-то момент времени, пока его не обнаружили.

Положение электрона в ядре представляет из себя область, которую называют электронным облаком, характеризующимся плотностью вероятности. Это облако наиболее плотное на наиболее вероятном расстоянии от ядра. Но теоретически обнаружить электрон можно где угодно, просто вероятность этого будет мала или слишком мала, или бесконечно мала.

И вот в этом электронном облаке электрон как-бы размазан сразу по всему облаку, пребывая в квантовом состоянии, которое представляет из себя сумму всех возможных состояний (а их бесконечно много, но у каждого своя вероятность), - суперпозицию или так называемый квантовый ансамбль.

И можно сказать, находится сразу везде, в соответствии с парадоксами квантовой механики.

Это зависит от высоты измерения скорости света. Скорость света связана с показателем преломления воздуха. А он зависит от давления воздуха.

При давлении 760 мм рт.ст. показатель преломления воздуха равен 1,0002926, соответственно скорость света в воздухе будет равна 299 792 458 / 1,0002926 = 299 704 764 м/с.

Никакой проблемы разгона частиц не существует. Давно существуют ускорители, где электроны, протоны и более крупные ядра атомов разгоняются то субсветовых скоростей. Но вот достичь скорости света не получается. Как известно, чем выше скорость, тем больше масса частицы. Это известно из постулатов Эйнштейна. А чтобы разогнать частицу большей массы, нужно и большая энергия. Иначе она не может достигнуть скорости света. Так вот энергии наших ускорителей не хватает, чтобы разогнать даже электрон (а это самая маленькая частица по сравнению с куда более массивными протоном или нейтроном) до скорости света. Очень близко удается, а вот более ничего не получается. Энергию добавляют, а скорость не растет.

С другой стороны электромагнитное излучение распространяется со скоростью света. И именно о нем говорят, что оно, не имея массы покоя, способно лететь выше этой скорости. Но вот измерить скорость света далекой звезды мы так и не научились. Есть целая альтернативная физика, где утверждается, что свет звезд к нам приходит со скоростями куда большими, чем световые. Но измерить это невозможно пока.

Есть эффект, когда свет распространяется выше своей скорости. Это эффект Вавилова-Черенкова. Когда в какой либо среде свет идет выше значения, для него определенного именно в этой среде. Но все равно эта скорость меньше, чем скорость света в вакууме.

Эксперимент для измерения скорости света от звезд поставить можно и даже нужно. Но для этого нужны искусственные спутники дальнего космоса для этого предназначенные. А это дорого и такие эксперименты пока не ставились.

Скорость света равна. Чему равна скорость света?

Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220 000 км/с — неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.

Скорость распространения светового импульса в среде отличается от скорости его распространения в вакууме (меньше, чем в вакууме) , и может быть различной для разных сред. Когда говорят просто о скорости света, обычно подразумевается именно скорость света в вакууме; если же говорят о скорости света в среде, это, как правило, оговаривается явно.

Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году. На данный момент считают, что скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с, или примерно 1 079 252 848,8 км/ч. Точное значение связано с тем, что с 1983 года за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды. Для решения задач, в основном, используют значение 300 000 000 м/с (3*10^8).

В планковских единицах скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.

В вакууме (пустоте)
Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с.

Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или 1 079 252 848,8 км/ч. Точное значение связано с тем, что с 1983 года за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды. Для решения школьных задач, в основном, используют значение 300 000 000 м/с (3×108 м/с) .

В природе со скоростью света распространяются (в вакууме) :

собственно, видимый свет и другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-кванты и др.) ;
предположительно — гравитационные волны;

Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость имеют массивные частицы, полученные на ускорителе или входящие в состав космических лучей.

В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом) .

Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например — солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой) . (Подробнее см. Сверхсветовое движение, также соответствующий раздел данной статьи ниже)

Чему равна скорость света?

В 1975 году было произведено величайшее открытие, а именно измерена скорость света, которая составляет:

Для более наглядного понимания предлагаю взглянуть на рисунок.

Солнечному свету требуется около 8 минут 19 секунд, чтобы достигнуть Земли.

В ниже представленном видео-ролике постарались такую величину, как скорость света объяснить более доступным языком, чтобы представить насколько это быстро в человеческом понимании и недосягаемо для воспроизводства.

Сейчас, в наше время, имея под рукой компьютер и интернет, не проблема узнать какая скорость света, так как это открытая информация и это значение следующие:

299 792 458 метров в секунду.

Узнав такие данные очевидно можно быть немного шокированным, ведь действительно это огромная скорость, которой пока нет равных, да и вряд ли удастся ее превзойти.

Вот тут еще занимательная табличка и интересными данными:

Чему равна скорость света в вакууме?

Считается, что скорость света равна (наиболее точное измерение) 299 792 458 м/с = 299 792, 458 км/с. Считается за одну планковскую единицу. Часто эти цифры округляют (например, в школьных задачах по физике) до 300 000 000 м/с = 300 000 км/с.

Очень интересная статья (точнее, глава из учебника по физике за 9-й класс), рассказывающая о том, как датский учёный О. Рёмер в 1676 году впервые измерил примерную скорость света. И вот ещё одна статья.

Чему равна скорость распространения света в различных прозрачных средах?

Скорость света в различных прозрачных средах всегда меньше, чем скорость света в вакууме, так как чтобы получить скорость света в какой-либо прозрачной среде, мы делим скорость света в вакууме на коэффициент преломления данной среды. Коэффициент преломления вакуума равен единице.

Чтобы получить v (скорость света в конкретной среде), нужно разделить c (скорость света в вакууме) на n. Поэтому распространения света в любой прозрачной среде определяется по формуле:

Чему равна скорость света в воздухе?

Скорость распространения света в воздухе равна, мы уже разобрались, скорости света в вакууме, которую разделили на коэффициент (показатель) преломления воздуха, который обозначается как n. А уже этот самый коэффициент зависит и от длины волны, и от давления, и от температуры. То есть при различных n скороость света в воздухе будет разной, но определённо меньше скорости света в вакууме.

Чему равна скорость света в стекле?

Всё та же формула, как Вы поняли, а n будет равно от 1,47 до 2,04. Если не уточняется коэффициент преломления стекла, как вариант - взять среднее значение (n = 1,75).

У воды коэффициент преломления (n) равен 1,33. Тогда:

v = c : n = 299 792 458 м/с : 1,33 ~ 225 407 863 м/с - скорость света в воде.

Ко всему вышесказанному хотелось бы добавить, что если Вы хотите более наглядно понять, что же такое скорость света, то можно отметить, что свет от Луны до Земли проходит расстояние за 1,255 с, а солнечный свет проходит расстояние в 150 млн км (!) за 8 мин 19 сек.

Со скоростью света распространяется не только свет, но и прочие виды электромагнитного излучения (радиоволны (от сверхдлинных), инфракрасное, ультрафиолетовое, терагерцовое и рентгеновское излучение, также - гамма-излучение).

Скорость света равна нулю!

Ну, начнем с того, что свет во всех своих спектрах невидим.

Мы не видим свет!

Мы видим только предметы, способные отразить этот свет.

Пример: Мы смотрим на звезду именно в темном небе (что важно) и, если вдруг между нашим глазом и направлением на звезду появиться, например облачко, то оно и отразит этот невидимый свет.

Свет есть стоячая волна.

Свет никуда не летит. Свет несет светящийся предмет, отражающий этот свет, например факельщик с факелом, а мы его видим, как отражение от факела, на котором и происходят реакции.

Факел не источник света!

Факел только отражает свет, который появился на поверхности факела из-за химической реакции.

Так же и с нитью накаливания.

Берем фонарик и снимаем с него отражатель и в темной комнате одна лишь лампочка осветит равномерно (что важно), лишь достаточно небольшое пространство. И, сколько бы времени мы не затратили на ожидание, то все равно свет никуда более не долетит. Свет будет стоять на одном месте вечно, или пока нить накаливания, нагреваясь, будет способна отражать свет (светиться)! Но, если мы поставим отражатель, то увидим, что свет локализовался в пучок и смог без всякого увеличения мощности свечения проникнуть дальше, если мы, без всякого увеличения мощности, изменим фокус, то свет проникнет еще дальше, но локализуется еще более в ограниченном луче.

Но, даже при большом удалении и даже в стороне от направления луча, мы, находясь в полной темноте, все равно будем видеть световое пятно. Мы закрываем глаза и ничего не видим, открываем и сразу видим светлое пятно от фонарика на темном фоне.

О какой скорости света может идти речь?

У света нет скорости. Свет есть стоячая волна. У стоячей световой волны есть способность при неизменном своем объеме, обусловленном мощностью химической реакции, изменять свою конфигурацию и стоячая волна способна быть видима, лишь при освещении предметов, которые и отражают стоячую волну, а мы видим ее, как светлое пятно на темном фоне и не более того.

Читайте также: