Categoria: Fisica Pubblicato: February 19, 2014
La velocità dell’elettricità dipende davvero da cosa si intende con la parola “elettricità”. Questa parola è molto generale e significa fondamentalmente “tutte le cose relative alla carica elettrica”. Suppongo che ci si riferisca a una corrente di carica elettrica che viaggia attraverso un filo metallico, come il cavo di alimentazione di una lampada. Nel caso di correnti elettriche che viaggiano attraverso fili metallici, ci sono tre diverse velocità presenti, tutte fisicamente significative:
- La velocità individuale dell’elettrone
- La velocità di deriva dell’elettrone
- La velocità del segnale
Per capire ciascuna di queste velocità e perché sono tutte diverse e tuttavia fisicamente significative, dobbiamo capire le basi delle correnti elettriche. Le correnti elettriche nei fili metallici sono formate da elettroni liberi che si muovono. Nel contesto delle tipiche correnti elettriche nei fili metallici, gli elettroni liberi possono essere pensati come palline che rimbalzano nella griglia di atomi fissi e pesanti che compongono il filo metallico. Gli elettroni sono in realtà entità quantistiche, ma l’immagine quantistica più accurata non è necessaria in questa spiegazione. (Quando si aggiungono gli effetti quantistici, la velocità del singolo elettrone diventa la “velocità di Fermi”). Gli elettroni non liberi, o elettroni di valenza, sono legati troppo strettamente agli atomi per contribuire alla corrente elettrica e quindi possono essere ignorati in questa immagine. Ogni elettrone libero nel filo metallico vola costantemente in linea retta sotto la propria quantità di moto, si scontra con un atomo, cambia direzione a causa della collisione, e continua di nuovo in linea retta fino alla prossima collisione. Se un filo metallico è lasciato a se stesso, gli elettroni liberi all’interno volano costantemente e si scontrano con gli atomi in modo casuale. Macroscopicamente, chiamiamo il movimento casuale di piccole particelle “calore”. La velocità effettiva di un singolo elettrone è la quantità di nanometri al secondo che un elettrone percorre andando in linea retta tra le collisioni. Un filo lasciato a se stesso non porta alcun segnale elettrico, quindi la velocità individuale degli elettroni in movimento casuale è solo una descrizione del calore nel filo e non della corrente elettrica.
Ora, se si collega il filo a una batteria, si è applicato un campo elettrico esterno al filo. Il campo elettrico punta in una direzione lungo il filo. Gli elettroni liberi nel filo sentono una forza da questo campo elettrico e accelerano nella direzione del campo (nella direzione opposta, in realtà, perché gli elettroni sono carichi negativamente). Gli elettroni continuano a scontrarsi con gli atomi, il che li fa ancora rimbalzare in tutte le direzioni. Ma oltre a questo moto termico casuale, ora hanno un movimento netto ordinato nella direzione opposta al campo elettrico. La corrente elettrica nel filo consiste nella parte ordinata del moto degli elettroni, mentre la parte casuale del moto costituisce ancora solo il calore nel filo. Un campo elettrico applicato (come quello derivante dal collegamento di una batteria) fa quindi scorrere una corrente elettrica lungo il filo. La velocità media alla quale gli elettroni si muovono lungo un filo è quella che chiamiamo “velocità di deriva”.
Anche se gli elettroni sono, in media, alla deriva lungo il filo alla velocità di deriva, questo non significa che gli effetti del movimento degli elettroni viaggino a questa velocità. Gli elettroni non sono veramente palle solide. Non interagiscono tra loro sbattendo letteralmente l’uno contro l’altro. Piuttosto, gli elettroni interagiscono attraverso il campo elettromagnetico. Più due elettroni si avvicinano l’uno all’altro, più forte si respingono a vicenda attraverso i loro campi elettromagnetici. La cosa interessante è che quando un elettrone si muove, il suo campo si muove con esso, in modo che l’elettrone può spingere un altro elettrone più lontano lungo il filo attraverso il suo campo molto prima di raggiungere fisicamente la stessa posizione nello spazio di questo elettrone. Di conseguenza, gli effetti elettromagnetici possono viaggiare lungo un filo metallico molto più velocemente di qualsiasi singolo elettrone. Questi “effetti” sono fluttuazioni nel campo elettromagnetico mentre si accoppia agli elettroni e si propaga lungo il filo. Poiché l’energia e l’informazione sono trasportate dalle fluttuazioni del campo elettromagnetico, l’energia e l’informazione viaggiano anche molto più velocemente lungo un filo elettrico di qualsiasi singolo elettrone.
La velocità alla quale gli effetti elettromagnetici viaggiano lungo un filo è chiamata “velocità del segnale”, “velocità dell’onda”, o “velocità del gruppo”. Si noti che alcuni libri insinuano che la velocità del segnale descrive un effetto d’onda puramente elettromagnetico. Questa insinuazione può essere fuorviante. Se il segnale che viaggia lungo un cavo elettrico fosse un’onda elettromagnetica isolata, allora il segnale viaggerebbe alla velocità della luce nel vuoto c. Ma non è così. Piuttosto, il segnale che viaggia lungo un cavo elettrico comporta un’interazione tra le fluttuazioni del campo elettromagnetico (l’onda) e gli elettroni. Per questo motivo, la velocità del segnale è molto più veloce della velocità di deriva degli elettroni ma è più lenta della velocità della luce nel vuoto. In generale, la velocità del segnale è piuttosto vicina alla velocità della luce nel vuoto. Si noti che la “velocità del segnale” discussa qui descrive la velocità fisica degli effetti elettromagnetici che viaggiano lungo un filo. Al contrario, gli ingegneri spesso usano la frase “velocità del segnale” in modo non scientifico, quando in realtà intendono “velocità in bit”. Mentre la velocità in bit di un segnale digitale che viaggia attraverso una rete dipende dalla velocità fisica del segnale nei fili, dipende anche da quanto bene i computer nella rete possono instradare i segnali attraverso la rete stessa.
Considerate questa analogia. Una lunga fila di persone sta aspettando di entrare in un ristorante. Ogni persona si agita nervosamente nel suo posto in fila. La persona alla fine della fila si spazientisce e spinge la persona davanti a sé. A sua volta, quando ogni persona nella fila riceve uno spintone dalla persona dietro di lui, spinge la persona davanti a lui. Lo spintone sarà quindi trasmesso da persona a persona, in avanti attraverso la fila. Lo spintone raggiungerà le porte del ristorante molto prima che l’ultima persona in fila arrivi personalmente alle porte. In questa analogia, le persone rappresentano gli elettroni, le loro braccia rappresentano il campo elettromagnetico, e lo spintone rappresenta una fluttuazione o onda nel campo elettromagnetico. La velocità con cui ogni persona si agita rappresenta la velocità individuale dell’elettrone, la velocità con cui ogni persona avanza individualmente attraverso la linea rappresenta la velocità di deriva dell’elettrone, e la velocità con cui la spinta viaggia attraverso la linea rappresenta la velocità del segnale. Basandoci su questa semplice analogia, ci aspetteremmo che la velocità del segnale sia molto veloce, che la velocità individuale sia piuttosto veloce e che la velocità di deriva sia lenta (si noti che in fisica c’è anche un’altra velocità rilevante in questo contesto chiamata “velocità di fase”). La velocità di fase è più uno strumento matematico che una realtà fisica, quindi non credo che valga la pena discuterne qui).
La velocità individuale degli elettroni in un filo metallico è tipicamente milioni di chilometri all’ora. Al contrario, la velocità di deriva è tipicamente solo pochi metri all’ora mentre la velocità del segnale è da cento milioni a mille miliardi di chilometri all’ora. In generale, la velocità del segnale è piuttosto vicina alla velocità della luce nel vuoto, la velocità del singolo elettrone è circa 100 volte più lenta della velocità del segnale, e la velocità di deriva dell’elettrone è lenta come una lumaca.
Temi: velocità di deriva, elettricità, elettromagnetismo, elettrone, velocità di gruppo, velocità, onda, onde