Prędkość przenoszenia ładunków, czyli energii w przewodniku, jest bliska prędkości światła (tak wyczytałem). Dlaczego więc istnieje opór przewodnika, skoro ładunek podróżuje z taką prędkością, że chyba duża ilość energii powinna zdążyć przenieść się na drugi koniec przewodu? Ponadto, elektrony w przewodniku płyną bardzo wolno, więc nie mają wpływu na prędkość przenoszenia ładunku – dlaczego zatem przy dużym natężeniu przewód się nagrzewa? Czy większa ilość energii wykorzystuje większą ilość elektronów swobodnych, co łącznie zwiększa ilość zderzeń z atomami na jednostkę objętości przewodnika, podnosząc jego temperaturę?
Skąd się bierze opór przewodnika?
Pytanie
Odpowiedź
Energia przenoszona w przewodnictwie elektrycznym dana jest przez iloczyn przeniesionego ładunku i napięcia. Przy czym ładunek porusza się powoli, a napięcie szybko. Dokładniej, pole elektrycznie rozchodzi się z prędkością porównywalną z prędkością światła i ustala rozkład napięć. Prędkość rozchodzenia się pola w przewodzie zależy od jego geometrii; przyjmuje się, że wynosi ona od 1/3 do 1/2 prędkości światła.
W typowym przewodniku, ładunek w całości przenoszony jest przez elektrony. Elektrony są rozpędzane przez pole elektryczne, ale bardzo szybko zostają rozproszone (przez defekty, drgania atomów i inne czynniki), co powoduje stratę ich energii i zamianę jej na ciepło. Stąd bierze się opór i rozgrzewanie się przewodnika. Prędkość unoszenia elektronów zależy od pola elektrycznego oraz materiału. Jednak nawet najszybsze elektrony w tranzystorach HEMT mogą mieć prędkości unoszenia co najwyżej rzędu 100 m/s. W drucie miedzianym prędkości unoszenia są dużo poniżej 1 mm/s. Niezależnie od pola elektrycznego, elektrony mają energię termiczną i związaną z nią prędkość termiczną, która jest zazwyczaj dużo większa od prędkości unoszenia.