Näin pelaat Etanaelektroneja
- Valitse testi ja lue kortilta virta, johto tai matka.
- Käytä kaavaa I = n·e·A·v_d, kun A on neliömetreinä ja v_d yksikössä m/s, kaavaa aika = matka ÷ nopeus ja lampun kohdalla signaalin nopeutta.
- Kirjoita ennusteesi ja paina Aloita. Katso, kuinka merkitty elektroni ryömii tai signaali kiitää lamppuun.
- Vertaa lukemia ja kuvaajaa oranssiin ennusteeseesi.
Hitaat elektronit, nopea signaali
Metalli on täynnä vapaita elektroneja: kuparissa niitä on n = 8,5 × 10²⁸ jokaisessa kuutiometrissä. Ne kiitävät noin miljoonan metrin sekuntinopeudella, mutta kaikkiin suuntiin, joten ilman virtaa ne eivät pääse mihinkään. Virta lisää päälle hitaan kulkeutumisen: ajassa t elektronit johdon v_d·t:n pituiselta osalta kulkevat poikkileikkauksen läpi ja kuljettavat varauksen n·A·v_d·t·e, joten I = n·e·A·v_d. Koska n on valtava, 1 A 1 mm²:n kuparijohdossa tarvitsee vain 0,0734 mm/s:n kulkeutumisen, ja elektronilta kestää tunteja kulkea metri. Paksumpi johto jakaa virran useammalle elektronille, jotka kulkeutuvat vielä hitaammin. Miksi lamppu sitten syttyy samalla hetkellä, kun painat kytkintä? Johto on jo täynnä elektroneja; kytkimen sulkeminen lähettää johtoa pitkin signaalin noin kahden kolmasosan valonnopeudella, ja elektronit kaikkialla alkavat kulkeutua lähes yhtä aikaa, kuin vesi letkussa, joka on jo täynnä.
Rajattu oppimismalli
Kuparissa on n = 8,5 × 10²⁸ vapaata elektronia kuutiometrissä, kunkin varaus on e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C, ja virta on tasainen alusta asti. Värähtely kuvaa elektronien lämpöliikettä, noin 10⁶ m/s satunnaisiin suuntiin, eikä se ole mittakaavassa; kulkeutuminen on piirretty todellisella nopeudellaan suurennettuun johtoon, jonka näkymä on 0,5 mm leveä. Signaali kulkee nopeudella 2,0 × 10⁸ m/s, mikä on kaapelille tyypillinen arvo. Kunkin testin kello käy omassa yksikössään, nopeutettuna tai hidastettuna niin, että koe kestää 4 s, ja ruutu kertoo, kuinka paljon. 2 %:n tarkkuudella annetut vastaukset ovat oikein.