વિદ્યુત પ્રવાહની ગતિ

ચાલો આ વિચાર પ્રયોગ કરીએ. કલ્પના કરો કે શહેરથી 100 કિલોમીટરના અંતરે એક ગામ છે અને શહેરથી તે ગામ સુધી બલ્બ સાથે લગભગ 100 કિલોમીટર લાંબી વાયર સિગ્નલ લાઇન નાખવામાં આવી છે. એક ઢાલવાળી બે-કોર લાઇન, તે રસ્તા પરના ટેકા પર નાખવામાં આવે છે. અને જો આપણે હવે આ લાઇન પર શહેરથી ગામડા સુધી સિગ્નલ મોકલીએ, તો ત્યાં તેને પ્રાપ્ત થતાં કેટલો સમય લાગશે?

ગણતરીઓ અને અનુભવ અમને જણાવે છે કે લાઇટ બલ્બના રૂપમાં એક સિગ્નલ બીજા છેડે ઓછામાં ઓછા 100/300000 સેકન્ડમાં દેખાશે, એટલે કે, ઓછામાં ઓછા 333.3 μs માં (વાયરના ઇન્ડક્ટન્સને ધ્યાનમાં લીધા વિના) ગામમાં લાઇટ આવશે, જેનો અર્થ છે કે વાયરમાં પ્રવાહ સ્થાપિત થશે (ઉદાહરણ તરીકે, અમે સીધો પ્રવાહનો ઉપયોગ કરીએ છીએ ચાર્જ થયેલ કેપેસિટર). 

100 એ આપણા વાયરની દરેક નસની કિલોમીટરમાં લંબાઈ છે, અને 300,000 કિલોમીટર પ્રતિ સેકન્ડ એ પ્રકાશની ગતિ છે - પ્રસારની ઝડપ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગ શૂન્યાવકાશમાં. હા, "ઇલેક્ટ્રોનની ગતિ" પ્રકાશની ઝડપે વાયર સાથે પ્રચાર કરશે.

પરંતુ હકીકત એ છે કે ઇલેક્ટ્રોન પ્રકાશની ઝડપે એક પછી એક ખસેડવાનું શરૂ કરે છે તેનો અર્થ એ નથી કે ઇલેક્ટ્રોન પોતે આટલી જબરદસ્ત ઝડપે વાયરમાં આગળ વધી રહ્યા છે. ધાતુના વાહકમાં, ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં અથવા અન્ય વાહક માધ્યમમાં ઇલેક્ટ્રોન અથવા આયનો એટલી ઝડપથી આગળ વધી શકતા નથી, એટલે કે ચાર્જ કેરિયર્સ પ્રકાશની ઝડપે એકબીજાની સાપેક્ષમાં આગળ વધતા નથી.

આ કિસ્સામાં પ્રકાશની ગતિ એ ઝડપ છે કે જેના પર વાયરમાં ચાર્જ કેરિયર્સ એક પછી એક ખસેડવાનું શરૂ કરે છે, એટલે કે, તે ચાર્જ કેરિયર્સની અનુવાદાત્મક ગતિના પ્રસારની ગતિ છે. ચાર્જ કેરિયર્સની પોતાની જાતને ડાયરેક્ટ કરંટ પર "ડ્રિફ્ટ વેલોસીટી" હોય છે, જેમ કે કોપર વાયરમાં, સેકન્ડ દીઠ માત્ર થોડા મિલીમીટર!

ચાલો આ મુદ્દો સ્પષ્ટ કરીએ. ધારો કે અમારી પાસે ચાર્જ્ડ કેપેસિટર છે અને તેની સાથે અમે કેપેસિટરથી 100 કિલોમીટરના અંતરે ગામમાં સ્થાપિત અમારા લાઇટ બલ્બમાંથી લાંબા વાયર જોડીએ છીએ. વાયરને કનેક્ટ કરવું, એટલે કે, સર્કિટ બંધ કરવું, સ્વીચ સાથે જાતે જ કરવામાં આવે છે.

શું થશે? જ્યારે સ્વીચ બંધ થાય છે, ત્યારે ચાર્જ કરેલા કણો વાયરના તે ભાગોમાં ખસેડવાનું શરૂ કરે છે જે કેપેસિટર સાથે જોડાયેલા હોય છે. ઇલેક્ટ્રોન કેપેસિટરની નકારાત્મક પ્લેટ છોડી દે છે, કેપેસિટરના ડાઇલેક્ટ્રિકમાં ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર ઘટે છે, વિરુદ્ધ (પોઝિટિવ) પ્લેટનો હકારાત્મક ચાર્જ ઘટે છે - કનેક્ટેડ વાયરમાંથી ઇલેક્ટ્રોન તેમાં વહે છે.

આમ, પ્લેટો વચ્ચે સંભવિત તફાવત ઘટે છે.અને જ્યારથી કેપેસિટરને અડીને આવેલા વાયરમાંના ઈલેક્ટ્રોન ખસેડવા લાગ્યા છે, ત્યારથી વાયર પરના દૂરના સ્થાનોથી અન્ય ઈલેક્ટ્રોન તેમની જગ્યાએ આવે છે, બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડની ક્રિયાને કારણે વાયરમાં ઇલેક્ટ્રોનના પુનઃવિતરણની પ્રક્રિયા શરૂ થાય છે. બંધ સર્કિટમાં. આ પ્રક્રિયા તાર સાથે વધુ ફેલાય છે અને અંતે સિગ્નલ લેમ્પ ફિલામેન્ટ સુધી પહોંચે છે.

તેથી ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડમાં ફેરફાર વાયર સાથે પ્રકાશની ઝડપે ફેલાય છે, સર્કિટમાં ઇલેક્ટ્રોન સક્રિય કરે છે. પરંતુ ઇલેક્ટ્રોન પોતે વધુ ધીમેથી આગળ વધે છે.

આપણે આગળ જઈએ તે પહેલાં, હાઇડ્રોલિક સાદ્રશ્યનો વિચાર કરો. પાઈપ દ્વારા ગામડામાંથી મિનરલ વોટર શહેરમાં જવા દો. સવારે, ગામમાં એક પંપ શરૂ કરવામાં આવ્યો અને તે પાઈપમાં પાણીનું દબાણ વધારવાનું શરૂ કર્યું જેથી ગામડાના સ્ત્રોતમાંથી પાણી શહેરમાં લઈ જવામાં આવે. દબાણમાં ફેરફાર પાઈપલાઈન સાથે ખૂબ જ ઝડપથી, ઝડપે ફેલાય છે. લગભગ 1400 કિમી/સેકંડ (તે પાણીની ઘનતા, તેના તાપમાન, દબાણની તીવ્રતા પર આધાર રાખે છે).

ગામમાં પંપ ચાલુ થયા પછી એક સેકન્ડના અંશમાં પાણી શહેરમાં આવવાનું શરૂ થયું. પણ શું આ એ જ પાણી છે જે હાલમાં ગામમાંથી વહી રહ્યું છે? ના! અમારા ઉદાહરણમાં પાણીના અણુઓ એકબીજાને દબાણ કરે છે અને તેઓ પોતે વધુ ધીમેથી આગળ વધે છે, કારણ કે તેમના વિચલનની ઝડપ દબાણની તીવ્રતા પર આધારિત છે. પરમાણુઓને એકબીજાની સામે કચડી નાખવાથી ટ્યુબની સાથે પરમાણુઓની હિલચાલ કરતાં તીવ્રતાના ઘણા ઓર્ડરનો પ્રચાર થાય છે.

તેથી તે વિદ્યુત પ્રવાહ સાથે છે: વિદ્યુત ક્ષેત્રના પ્રસારની ગતિ દબાણના પ્રસાર જેવી જ છે, અને પ્રવાહ બનાવે છે તે ઇલેક્ટ્રોનની હિલચાલની ગતિ સીધી પાણીના અણુઓની ગતિ સમાન છે.

હવે ચાલો સીધા ઈલેક્ટ્રોન પર પાછા જઈએ. ઇલેક્ટ્રોન (અથવા અન્ય ચાર્જ કેરિયર્સ) ની વ્યવસ્થિત ગતિના દરને ડ્રિફ્ટ રેટ કહેવામાં આવે છે. તેના ઇલેક્ટ્રોન ક્રિયા દ્વારા મેળવે છે બાહ્ય ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર. 

જો ત્યાં કોઈ બાહ્ય વિદ્યુત ક્ષેત્ર ન હોય, તો ઇલેક્ટ્રોન માત્ર થર્મલ ગતિ દ્વારા કંડક્ટરની અંદર અસ્તવ્યસ્ત રીતે આગળ વધે છે, પરંતુ ત્યાં કોઈ નિર્દેશિત પ્રવાહ નથી, અને તેથી સરેરાશ ડ્રિફ્ટ ઝડપ શૂન્ય થઈ જાય છે.

જો કંડક્ટર પર બાહ્ય ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર લાગુ કરવામાં આવે છે, તો પછી કંડક્ટરની સામગ્રીના આધારે, ચાર્જ કેરિયર્સના સમૂહ અને ચાર્જ પર, તાપમાન પર, સંભવિત તફાવત પર, ચાર્જ કેરિયર્સ ખસેડવાનું શરૂ કરશે, પરંતુ ઝડપ આ હિલચાલ પ્રકાશની ગતિ કરતા નોંધપાત્ર ઓછી હશે, લગભગ 0.5 mm પ્રતિ સેકન્ડ (1 mm2 ના ક્રોસ સેક્શનવાળા કોપર વાયર માટે, જેના દ્વારા 10 A નો પ્રવાહ વહે છે, ઇલેક્ટ્રોન ડ્રિફ્ટની સરેરાશ ગતિ 0.6- હશે. 6 mm/s).

આ ઝડપ કંડક્ટર n માં ફ્રી ચાર્જ કેરિયર્સની સાંદ્રતા પર, કંડક્ટર S ના ક્રોસ-વિભાગીય વિસ્તાર પર, કણ e ના ચાર્જ પર, વર્તમાન I ની તીવ્રતા પર આધારિત છે. જેમ તમે જોઈ શકો છો, તેમ છતાં હકીકત એ છે કે ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ (ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગનો આગળનો ભાગ) પ્રકાશની ઝડપે વાયર સાથે ફેલાય છે, ઇલેક્ટ્રોન પોતે વધુ ધીમેથી આગળ વધે છે. તે તારણ આપે છે કે વર્તમાનની ઝડપ ખૂબ ઓછી ઝડપ છે.