Strona głównaPytania → Jaką energię niesie w prądzie...

Jaką energię niesie w prądzie elektrycznym jeden elektron?

Pytanie

Pyta Wall

Z definicji prąd to uporządkowany ruch elektronów – pomijam inne niż metale przewodniki, nie ma to znaczenia dla istoty problemu. Jak to rozumiem i co budzi moją wątpliwość… Elektrony poruszając się zgodnie z różnicą potencjałów (biegunów zasilania), przepływając przez odbiornik, np.żarówkę, powodują świecenie żarówki – czyli przekazują energię, a więc i muszą tracić przekazaną energię… i tu zaczynają się schody… jaką energię przekazują? Co powoduje utrata części energii przez elektron? (Czy nadal jest elektronem?, wolniej się porusza? ma inny potencjał?) Ile elektronów musi przepłynąć przez żarnik żarówki aby ją odpowiednio ocieplić? Czyli wracając do pytania – jaka energię niesie 1 elektron w przepływie prądu elektrycznego, i dalej, mając na uwadze prostą wersję budowy atomu (jądro+elektrony) – uwolnienie elektronu w przebiegu procesu wytwarzania prądu musi powodować powstawanie jonów – w końcu powinno się skończyć źródło elektronów – nie bardzo ma to się do rzeczywistości – np. prądnica mechaniczna (np. rowerowa, czyli dynamo) produkuje elektrony wg definicji, bez ograniczeń.

Odpowiedź

Odpowiada dr Grzegorz Brona

Prędkość przemieszczania się elektronów w przewodniku i prędkość przepływu energii przez przewodnik są istotnie różne. Przez analogię można rozważyć rurę wypełnioną cieczą. Na jednym końcu tej rury znajduje się pompa, a na drugim turbina, która zacznie się obracać w momencie, w którym woda zacznie przez nią przepływać. Pompa rozpoczyna pracę i praktycznie natychmiast turbina zaczyna się obracać. Dzieję się to zaraz po tym jak fala ciśnienia wprowadzona przez pompę przepropaguje się prze rurę i osiągnie turbinę. Prędkość przepływu energii odpowiada więc nie ruchom poszczególnych molekuł cieczy, ale fali ciśnienia, która porusza się z prędkością dźwięku w danym ośrodku. Podobnie jest w przypadku elektryczności. Prędkość przepływu energii zależy od prędkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w przewodniku i stanowi istotny ułamek prędkości światła. W przeciwieństwie do tej olbrzymiej prędkości, same elektrony podróżują z bardzo małą prędkością, zwaną prędkością dryfu, która wynosi rzędu metrów na godzinę! Naturalnie z elektronami można powiązać ich energię kinetyczną, którą można oszacować znając masę (rzędu $10^{-30}$ kg) oraz prędkość dryfu.

Elektrony w obwodzie nie zużywają się. Obwody prądu są zamknięte. Elektrony po prostu w takim obwodzie sobie krążą, a ich ruch jest wymuszany przez prądnicę. To tak jakbyśmy mieli rurę w kształcie torusa wypełnioną wodą oraz dołączoną do niej pompę (i dajmy na to turbinę). Woda w takim układzie nie zużywa się.