Cum se joacă Electronii-melc
- Alege un test și citește pe fișă curentul, firul sau distanța.
- Folosește I = n·e·A·v_d cu A în m² și v_d în m/s, timp = distanță ÷ viteză și, pentru bec, viteza semnalului.
- Scrie predicția ta și apasă Pornește. Privește electronul marcat cum se târăște, sau semnalul cum aleargă până la bec.
- Compară citirile și graficul cu predicția ta portocalie.
Electroni lenți, semnal rapid
Un metal este plin de electroni liberi: cuprul are n = 8,5 × 10²⁸ în fiecare metru cub. Ei zboară încoace și încolo cu aproximativ un milion de metri pe secundă, dar în toate direcțiile, așa că fără curent nu ajung nicăieri. Un curent adaugă peste asta un drift lent: într-un timp t, electronii dintr-o porțiune de fir de lungime v_d·t trec printr-o secțiune și duc sarcina n·A·v_d·t·e, deci I = n·e·A·v_d. Pentru că n este uriaș, 1 A în 1 mm² de cupru are nevoie de un drift de doar 0,0734 mm/s, iar unui electron îi trebuie ore ca să parcurgă un metru. Un fir mai gros împarte curentul între mai mulți electroni, care au un drift și mai lent. Atunci de ce se aprinde un bec chiar în clipa în care apeși întrerupătorul? Firul este deja plin de electroni; închiderea întrerupătorului trimite prin fir un semnal cu aproximativ două treimi din viteza luminii, iar electronii de peste tot pornesc aproape în același timp, ca apa dintr-un furtun deja plin.
Un model de învățare țintit
Cuprul are n = 8,5 × 10²⁸ electroni liberi pe m³, fiecare cu sarcina e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C, iar curentul este constant de la început. Tremuratul reprezintă mișcarea termică a electronilor, aproximativ 10⁶ m/s în direcții întâmplătoare, și nu este la scară; driftul este desenat la viteza lui reală în firul mărit, lat de 0,5 mm pe ecran. Semnalul merge cu 2,0 × 10⁸ m/s, o valoare tipică pentru un cablu. Ceasul fiecărui test merge în unitatea lui, accelerat sau încetinit ca o încercare să dureze 4 s, iar ecranul spune cu cât. Răspunsurile în limita a 2 % sunt corecte.