Kategorie: Physik Veröffentlicht am: 19. Februar 2014
Die Geschwindigkeit der Elektrizität hängt wirklich davon ab, was man mit dem Wort „Elektrizität“ meint. Dieses Wort ist sehr allgemein und bedeutet im Grunde „alles, was mit elektrischer Ladung zu tun hat“. Ich gehe davon aus, dass wir uns auf einen Strom elektrischer Ladung beziehen, der durch einen Metalldraht fließt, wie z. B. durch das Netzkabel einer Lampe. Im Fall von elektrischen Strömen, die sich durch Metalldrähte bewegen, gibt es drei verschiedene Geschwindigkeiten, die alle physikalisch sinnvoll sind:
- Die individuelle Elektronengeschwindigkeit
- Die Elektronendriftgeschwindigkeit
- Die Signalgeschwindigkeit
Um jede dieser Geschwindigkeiten zu verstehen und warum sie alle unterschiedlich und dennoch physikalisch sinnvoll sind, müssen wir die Grundlagen von elektrischen Strömen verstehen. Elektrische Ströme in Metalldrähten werden durch freie Elektronen gebildet, die sich bewegen. Im Kontext typischer elektrischer Ströme in Metalldrähten kann man sich die freien Elektronen als kleine Bälle vorstellen, die in dem Gitter aus festen, schweren Atomen, aus denen der Metalldraht besteht, herumhüpfen. Elektronen sind in Wirklichkeit Quanteneinheiten, aber das genauere Quantenbild ist für diese Erklärung nicht notwendig. (Wenn man Quanteneffekte hinzufügt, wird die Geschwindigkeit des einzelnen Elektrons zur „Fermi-Geschwindigkeit“). Die nicht freien Elektronen, oder Valenzelektronen, sind zu fest an Atome gebunden, um zum elektrischen Strom beizutragen und können daher in diesem Bild ignoriert werden. Jedes freie Elektron im Metalldraht fliegt ständig in einer geraden Linie unter seinem eigenen Impuls, kollidiert mit einem Atom, ändert aufgrund der Kollision die Richtung und fliegt dann wieder in einer geraden Linie weiter bis zur nächsten Kollision. Wird ein Metalldraht sich selbst überlassen, fliegen die freien Elektronen im Inneren ständig umher und stoßen zufällig mit Atomen zusammen. Makroskopisch betrachtet, nennen wir die zufällige Bewegung der kleinen Teilchen „Wärme“. Die tatsächliche Geschwindigkeit eines einzelnen Elektrons ist die Menge an Nanometern pro Sekunde, die ein Elektron zurücklegt, während es sich zwischen den Kollisionen auf einer geraden Linie bewegt. Ein sich selbst überlassener Draht trägt kein elektrisches Signal, also ist die individuelle Elektronengeschwindigkeit der sich zufällig bewegenden Elektronen nur eine Beschreibung der Wärme im Draht und nicht des elektrischen Stroms.
Wenn Sie nun den Draht an eine Batterie anschließen, haben Sie ein äußeres elektrisches Feld an den Draht angelegt. Das elektrische Feld zeigt in eine Richtung über die Länge des Drahtes. Die freien Elektronen im Draht spüren eine Kraft aus diesem elektrischen Feld und beschleunigen in Richtung des Feldes (eigentlich in die entgegengesetzte Richtung, denn Elektronen sind negativ geladen). Die Elektronen stoßen weiterhin mit Atomen zusammen, wodurch sie immer noch in verschiedene Richtungen hin und her springen. Aber zusätzlich zu dieser zufälligen thermischen Bewegung haben sie jetzt eine geordnete Nettobewegung in die dem elektrischen Feld entgegengesetzte Richtung. Der elektrische Strom im Draht besteht aus dem geordneten Teil der Bewegung der Elektronen, während der zufällige Teil der Bewegung nur noch die Wärme im Draht darstellt. Ein angelegtes elektrisches Feld (z. B. durch Anschließen einer Batterie) bewirkt also, dass ein elektrischer Strom durch den Draht fließt. Die durchschnittliche Geschwindigkeit, mit der sich die Elektronen den Draht hinunterbewegen, nennen wir „Driftgeschwindigkeit“.
Auch wenn die Elektronen im Durchschnitt mit der Driftgeschwindigkeit den Draht hinunterdriften, bedeutet das nicht, dass sich die Effekte der Bewegung der Elektronen mit dieser Geschwindigkeit bewegen. Elektronen sind keine wirklich festen Kugeln. Sie interagieren nicht miteinander, indem sie sich buchstäblich gegenseitig an die Oberfläche stoßen. Vielmehr interagieren die Elektronen über das elektromagnetische Feld. Je näher sich zwei Elektronen einander nähern, desto stärker stoßen sie sich durch ihr elektromagnetisches Feld gegenseitig ab. Das Interessante daran ist, dass sich bei der Bewegung eines Elektrons sein Feld mitbewegt, so dass das Elektron ein anderes Elektron durch sein Feld weiter nach unten schieben kann, lange bevor es physikalisch die gleiche Stelle im Raum erreicht wie dieses Elektron. Infolgedessen können die elektromagnetischen Effekte reisen unten einen Metalldraht viel schneller als jedes einzelne Elektron kann. Diese „Effekte“ sind Fluktuationen im elektromagnetischen Feld, wie es zu den Elektronen koppelt und breitet sich nach unten den Draht. Da Energie und Information durch Fluktuationen im elektromagnetischen Feld transportiert werden, bewegen sich Energie und Information auch viel schneller einen elektrischen Draht hinunter als jedes einzelne Elektron.
Die Geschwindigkeit, mit der sich elektromagnetische Effekte einen Draht hinunter bewegen, wird „Signalgeschwindigkeit“, „Wellengeschwindigkeit“ oder „Gruppengeschwindigkeit“ genannt. Beachten Sie, dass in manchen Büchern unterstellt wird, dass die Signalgeschwindigkeit eine rein elektromagnetische Wellenwirkung beschreibt. Diese Unterstellung kann irreführend sein. Wenn das Signal, das durch ein elektrisches Kabel läuft, eine isolierte elektromagnetische Welle wäre, dann würde sich das Signal mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c bewegen. Vielmehr handelt es sich bei dem Signal, das sich durch ein elektrisches Kabel bewegt, um eine Wechselwirkung zwischen den elektromagnetischen Feldschwankungen (der Welle) und den Elektronen. Aus diesem Grund ist die Signalgeschwindigkeit viel schneller als die Driftgeschwindigkeit der Elektronen, aber langsamer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Im Allgemeinen ist die Signalgeschwindigkeit etwas näher an der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Beachten Sie, dass die „Signalgeschwindigkeit“, von der hier die Rede ist, die physikalische Geschwindigkeit von elektromagnetischen Effekten beschreibt, die sich über einen Draht ausbreiten. Im Gegensatz dazu verwenden Ingenieure oft den Ausdruck „Signalgeschwindigkeit“ in einer nicht-wissenschaftlichen Weise, wenn sie eigentlich „Bitrate“ meinen. Während die Bitrate eines digitalen Signals, das durch ein Netzwerk läuft, von der physikalischen Signalgeschwindigkeit in den Leitungen abhängt, hängt sie auch davon ab, wie gut die Computer im Netzwerk die Signale durch das Netzwerk leiten können.
Betrachten Sie diese Analogie. Eine lange Schlange von Menschen wartet darauf, ein Restaurant zu betreten. Jede Person zappelt nervös auf ihrem Platz in der Schlange herum. Die Person am Ende der Schlange wird ungeduldig und schubst die Person vor ihr. Wenn jede Person in der Schlange einen Schubs von der Person hinter sich erhält, schubst sie ihrerseits die Person vor sich. Der Schubs wird also von Person zu Person weitergegeben, vorwärts durch die Schlange. Der Schubs wird die Türen des Restaurants erreichen, lange bevor die letzte Person in der Schlange es persönlich zu den Türen schafft. In dieser Analogie stellen die Personen die Elektronen dar, ihre Arme das elektromagnetische Feld und der Schubs eine Fluktuation oder Welle im elektromagnetischen Feld. Die Geschwindigkeit, mit der jede Person zappelt, repräsentiert die individuelle Elektronengeschwindigkeit, die Geschwindigkeit, mit der sich jede Person individuell durch die Linie bewegt, repräsentiert die Elektronendriftgeschwindigkeit, und die Geschwindigkeit, mit der sich der Schubs durch die Linie bewegt, repräsentiert die Signalgeschwindigkeit. Basierend auf dieser einfachen Analogie würden wir erwarten, dass die Signalgeschwindigkeit sehr schnell, die individuelle Geschwindigkeit etwas schnell und die Driftgeschwindigkeit langsam ist. (Beachten Sie, dass es in der Physik noch eine weitere relevante Geschwindigkeit in diesem Zusammenhang gibt, die „Phasengeschwindigkeit“. Die Phasengeschwindigkeit ist eher ein mathematisches Hilfsmittel als eine physikalische Realität, daher halte ich sie hier nicht für diskussionswürdig).
Die Einzelgeschwindigkeit der Elektronen in einem Metalldraht beträgt typischerweise Millionen von Kilometern pro Stunde. Im Gegensatz dazu beträgt die Driftgeschwindigkeit typischerweise nur ein paar Meter pro Stunde, während die Signalgeschwindigkeit hundert Millionen bis eine Billion Kilometer pro Stunde beträgt. Im Allgemeinen ist die Signalgeschwindigkeit etwas nahe an der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, die Einzelelektronengeschwindigkeit ist etwa 100-mal langsamer als die Signalgeschwindigkeit, und die Elektronendriftgeschwindigkeit ist so langsam wie eine Schnecke.
Themen: Driftgeschwindigkeit, Elektrizität, Elektromagnetismus, Elektron, Gruppengeschwindigkeit, Geschwindigkeit, Welle, Wellen