Etanaelektronit: hidas kulkeutuminen, nopea signaali

Opettavainen simulaatiopeli. Suurennetussa kuparissa elektronit värisevät nopeasti mutta etenevät vain millimetrin murto-osan sekunnissa. Ennusta kulkeutumisnopeus kaavasta I = n·e·A·v_d, elektronin matka 1 m:n verran, virta kulkeutumisesta, paksumpi johto ja aika, jonka lampun signaali tarvitsee.

VirtaKulkeutumisnopeus

ETANAELEKTRONIT

Kuinka nopeasti ne ryömivät

Valmis
Ota JavaScript käyttöön, jotta näet elektronien kulkeutumisen. Ohjeet ja ratkaistu esimerkki ovat yhä luettavissa.
Virta IElektronit (−), kulkeutuvat toiseen suuntaanMerkitty elektroni ja sen jälkiEnnusteesi
KulkeutumisnopeusI = n·e·A·v_d

Aika

0.00 s

t

Kulkeutumisnopeus

— mm/s

v_d = I ÷ (n·e·A)

Kulkeutunut matka

— mm

x = v_d·t

Virta

— A

I

Ennusta ennen kuin aloitat

Kirjoita ennusteesi valmistellaksesi kokeen. Aloita on pois käytöstä, kunnes vastaus on annettu.

Ennusta, kuinka hitaita elektronit ovat ja kuinka nopea signaali on.

Tehtävän pisteet—

Jokaisen vastauksen on oltava 2 %:n tarkkuudella oikein: kukin tuo 100 pistettä. Oikein ensimmäisellä kokeella tuo 50 lisää. Koe lasketaan heti, kun se alkaa.

✓ Oikea vastaus① Ensimmäisellä yrityksellä

Näin pelaat Etanaelektroneja

  1. Valitse testi ja lue kortilta virta, johto tai matka.
  2. 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.
  3. Kirjoita ennusteesi ja paina Aloita. Katso, kuinka merkitty elektroni ryömii tai signaali kiitää lamppuun.
  4. 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.

Kielen vaihtaminen säilyttää kokeen, ennusteen, yritykset ja ajon.