Hogyan terjed az elektromos mező?

Gondolj egy nagyon hosszú széksorra. A szélén jön egy ember és megkérdi az első széken ülő embert, hogy arrébb tudna-e ülni egy székkel. Az megkéri a második embert, hogy arrébb tudna-e ülni egy székkel, és így tovább. A dolog nagyon gyorsan végig megy a széksoron, tehát a kérés egy széksornyi távolságot tudott megtenni, míg az emberek valójában csak egyetlen széknyit ültek arrébb.

Valami hasonló történik, csak a székek az atommagok, az emberek meg az elektronok. Ahogy zárod a vezetéket – mondjuk egy elem esetén – ott egy semleges atom – vagy atomcsoport – találkozik egy elektronhiányos atommal, ami átszipkázza az elektronokat, így aztán ott keletkezik elektronhiány, stb… (Nem 100%-ig korrekt a kép, de talán érthető.)

Itt az elektromos mező csak elektron-elektron szinten terjedő dolog. Mint 2XSü írta, az első fölös elektron azazonos töltésével elkezdi "tolni" a következő elektront., az a következőt.....a másik végen meg egy elektronhiány helyet csinál, ahová a mögötte álló a töltésével "belöki" az elsőt a sorban, őt utánalökik....

Sántító mechanikus magyarázat, de vizuálisabban nehéz.

Képzelheted úgy is, hogy van egy vízszintes, mindkét végén nyitott vályúd tele összeérő golyókkal, a felszültség rákapcsolása meg az, hogy megdöntöd oldalra és a lejtőn megindulnak libasorban (persze elöl nem marad üres hely, oda jön máris újabb golyó az akkuból, generátorból stb., úgyhogy ez is sántít).

Amikor valóban az elektromos mező mozdítja meg az elektrontömeget a fémben, az az indukció, ár ott már áttételes a dolog, a változó mágneses tér a főhunyó.

A változó mágneses mező akkor az egész bandára egyszerre szól rá: fiúk, mindenki lépjen egyet balra. Ezt már mechanikusan bemutatni elég nehéz lenne, bár lehet, hogy valaki csípőből mond jó analógiát.

Akkor egy másik példa: Autók állnak a pirosnál. Az elektromos mező jelen esetben itt az, mikor az autós látja, hogy lehet menni. Mikor a lámpa zöldre vált, az első autós látja, hogy indulni tud. Reakcióidő elteltével elindul a második autós is, majd szintén reakcióidő elteltével a harmadik autós is. Az első autó még alig tett meg mondjuk 10 métert, a sorban 10. autó már indul is. Ilyen módon az „indulás”, magyarán az elektromágneses mező nagyon gyorsan végigmegy a soron, holott az autók maguk elég lassan mozognak. Az első autó ahogy megmozdul úgy indulási lehetőséget ad – elektormágneses mezőt hoz létre – amire a második autó reagál is, ő is elindul, így ő is létrehoz egy „lyukat” – magyarán ő is elektromágneses mezőt generál –, így elindul a 3. autó.

Vagy ugyanígy jó példa a sorban álló emberek. Ha az előtted levő előbbre megy, úgy ott keletkezik egy lyuk (vonzás), így te is előbbre lépsz. Az emberek haladása nagyon lassú, de ha kintről nézed a sort, akkor az a jelenség, hogy az emberek előbbre lépnek egy lépést, nagyon gyorsan végigrohan a soron. Pár másodpercen belül akár 10 métert is megtesz, holott az emberek csak fél métert mozdultak el ugyanennyi idő alatt.

"hogy terjedhet a mező fénysebességgel, ha az elektronok egy nagy ellenállású áramkörben csak lassan haladnak"

Itt megint elővenném a golyósort, mint példát.

Van egy hosszú golyósorod, szépen sorban, mind összeérnek, nincs köztük rés sehol.

Az elsőre a sor irányában rácsapsz kalapáccsal. A golyók minimálisat mozdulnak csak, de a kalapácsütés végigadódik a soron és akkora sebességgel ér a sor végére, mint amennyi a golyók anyagában a hangsebesség.

Igen, az elektromos mező ott van mindenütt az elem két pólusa körül (hasonló alakban, ahogy a vasreszelék egy mágnes pólusai körül elrendeződik). Ha ebbe a térbe bárhol beraksz egy vezetődarabot, akkor az polarizálódik, egyik végén pozitív, másik végén negatív töltések halmozódnak fel. Ez az átrendeződés egyszersmind meg is szünteti az elektromos mezőt a vezetékben (ezért nem is mozognak benne tovább a töltések.

Ha ennek a vezetődarabnak mindkét végét összekötöd a telep sarkaival (vagy az egyszerűség kedvéért vegyük úgy, hogy az egyik már össze is van kötve), tehát ha zárod az áramkört, akkor a vezető végén felhalmozódott elektronokból néhány azonnal leszökik a vezetőről, amitől megváltozik az elektromos tér a vezető végén. Ez a változás terjed tovább aztán a vezetőben, és ez az, ami megmozdítja a többi elektront.

Vagyis nem a telep elektromos terére kell várni, hogy az szétterjedjen, mert az már eleve ott volt mindenütt. Hanem az áramkör zárásakor megváltozó töltéselrendeződés által megváltoztatott elektromos tér változásának kell hullámszerűen továbbterjedni, és ez adja ki végül az elektromos jel sebességét, ami a fénysebesség.

Azért azt érdemes megemlíteni, hogy az egyenáram viszonlyag lassú: az elektronok mozgásának sebessége (driftsebesség) kb 1 méter óránként.

Viszont a váltóáram sem terjed fénysebességgel, hanem annál lassabban. Hiszen a váltóáram terjedése egyben egy elektromágneses mező haladása is. Azt is tudjuk, hogy a fény is csak vákuumban terjed "a" fénysebességgel.