Categorie: Natuurkunde Gepubliceerd: 19 februari 2014
De snelheid van elektriciteit hangt echt af van wat je onder het woord “elektriciteit” verstaat. Dit woord is zeer algemeen en betekent in feite “alles wat met elektrische lading te maken heeft”. Ik ga ervan uit dat we het hebben over een stroom van elektrische lading die door een metalen draad loopt, zoals door het netsnoer van een lamp. In het geval van elektrische stromen die door metaaldraden lopen, zijn er drie verschillende snelheden aanwezig, die alle fysisch van betekenis zijn:
- De individuele elektronensnelheid
- De elektronendriftsnelheid
- De signaalsnelheid
Om elk van deze snelheden te begrijpen en waarom ze allemaal verschillend zijn en toch fysisch van betekenis, moeten we de grondbeginselen van elektrische stromen begrijpen. Elektrische stromen in metaaldraden worden gevormd door vrije elektronen die in beweging zijn. In de context van typische elektrische stromen in metaaldraden, kunnen vrije elektronen worden beschouwd als kleine balletjes die rondstuiteren in het raster van vaste, zware atomen waaruit de metaaldraad is opgebouwd. Elektronen zijn eigenlijk kwantumentiteiten, maar het meer nauwkeurige kwantumbeeld is in deze uitleg niet nodig. (Wanneer u kwantumeffecten toevoegt, wordt de individuele elektronensnelheid de “Fermi-snelheid”). De niet-vrije elektronen, of valentie-elektronen, zijn te sterk aan atomen gebonden om bij te dragen aan de elektrische stroom en kunnen dus in dit beeld worden genegeerd. Elk vrij elektron in de metaaldraad vliegt voortdurend in een rechte lijn onder zijn eigen impuls, botst tegen een atoom, verandert van richting als gevolg van de botsing, en gaat weer verder in een rechte lijn tot de volgende botsing. Als een metaaldraad aan zichzelf wordt overgelaten, vliegen de vrije elektronen binnenin voortdurend in het rond en botsen op willekeurige wijze tegen atomen. Macroscopisch noemen we de willekeurige beweging van kleine deeltjes “warmte”. De werkelijke snelheid van een individueel elektron is het aantal nanometers per seconde dat een elektron aflegt in een rechte lijn tussen botsingen in. Een draad die aan zichzelf is overgelaten, draagt geen elektrisch signaal, dus de individuele elektronensnelheid van de willekeurig bewegende elektronen is slechts een beschrijving van de warmte in de draad en niet van de elektrische stroom.
Nu, als je de draad op een batterij aansluit, heb je een extern elektrisch veld op de draad aangebracht. Het elektrische veld wijst in één richting over de lengte van de draad. De vrije elektronen in de draad voelen een kracht van dit elektrische veld en versnellen in de richting van het veld (in de tegenovergestelde richting, eigenlijk, omdat elektronen negatief geladen zijn). De elektronen blijven botsen met atomen, waardoor ze nog steeds in verschillende richtingen rondstuiteren. Maar bovenop deze willekeurige thermische beweging, hebben zij nu een netto geordende beweging in de richting tegengesteld aan het elektrische veld. De elektrische stroom in de draad bestaat uit het geordende deel van de beweging van de elektronen, terwijl het willekeurige deel van de beweging nog steeds gewoon de warmte in de draad vormt. Een aangelegd elektrisch veld (zoals bij het aansluiten van een batterij) doet dus een elektrische stroom door de draad vloeien. De gemiddelde snelheid waarmee de elektronen door de draad bewegen noemen we de “driftsnelheid”.
Ook al bewegen de elektronen gemiddeld met de driftsnelheid door de draad, dit betekent nog niet dat de effecten van de beweging van de elektronen met deze snelheid gaan. Elektronen zijn niet echt vaste bollen. Zij hebben geen wisselwerking met elkaar door letterlijk tegen elkaars oppervlak aan te botsen. De interactie tussen elektronen vindt plaats via het elektromagnetische veld. Hoe dichter twee elektronen bij elkaar komen, hoe sterker ze elkaar afstoten via hun elektromagnetische velden. Het interessante is dat wanneer een elektron beweegt, zijn veld meebeweegt, zodat het elektron een ander elektron verder in de draad door zijn veld kan duwen lang voordat het fysiek dezelfde plaats in de ruimte bereikt als dit elektron. Dientengevolge kunnen de elektromagnetische effecten zich veel sneller door een metaaldraad verplaatsen dan een afzonderlijk elektron kan. Deze “effecten” zijn fluctuaties in het elektromagnetische veld terwijl het zich koppelt aan de elektronen en zich voortplant langs de draad. Aangezien energie en informatie worden overgebracht door fluctuaties in het elektromagnetische veld, reizen energie en informatie ook veel sneller door een elektrische draad dan enig individueel elektron.
De snelheid waarmee elektromagnetische effecten door een draad reizen wordt de “signaalsnelheid”, “de golfsnelheid”, of “de groepssnelheid” genoemd. In sommige boeken wordt geïnsinueerd dat de snelheid van het signaal een zuiver elektromagnetisch golfeffect beschrijft. Deze insinuatie kan misleidend zijn. Indien het signaal dat door een elektrische kabel loopt een geïsoleerde elektromagnetische golf zou zijn, dan zou het signaal zich verplaatsen met de lichtsnelheid in vacuüm c. Maar dat is niet het geval. Integendeel, het signaal dat door een elektrische kabel gaat, impliceert een wisselwerking van zowel de elektromagnetische veldfluctuaties (de golf) als de elektronen. Daarom is de snelheid van het signaal veel hoger dan de snelheid van de elektronendrift, maar langzamer dan de lichtsnelheid in vacuüm. In het algemeen ligt de snelheid van het signaal enigszins dicht bij de lichtsnelheid in vacuüm. Merk op dat de hier besproken “signaalsnelheid” de fysische snelheid beschrijft van elektromagnetische effecten die door een draad reizen. Daarentegen gebruiken ingenieurs vaak de term “signaalsnelheid” op een niet-wetenschappelijke manier, terwijl zij eigenlijk “bitsnelheid” bedoelen. Hoewel de bitsnelheid van een digitaal signaal dat door een netwerk reist, afhangt van de fysieke snelheid van het signaal in de draden, hangt het ook af van hoe goed de computers in het netwerk de signalen door het netwerk kunnen leiden.
Overweeg deze analogie eens. Een lange rij mensen staat te wachten om een restaurant binnen te gaan. Iedereen staat zenuwachtig op zijn plaats in de rij. De persoon aan het eind van de rij wordt ongeduldig en duwt de persoon voor hem. Wanneer elke persoon in de rij op zijn beurt een duw krijgt van de persoon achter hem, geeft hij de persoon voor hem een duw. De duw wordt dus doorgegeven van persoon tot persoon, voorwaarts door de rij. De duw zal de deuren van het restaurant bereiken lang voordat de laatste persoon in de rij persoonlijk de deuren bereikt. In deze analogie stellen de mensen de elektronen voor, hun armen het elektromagnetische veld, en de duw een schommeling of golf in het elektromagnetische veld. De snelheid waarmee elke persoon aan de lijn hangt, vertegenwoordigt de individuele elektronensnelheid, de snelheid waarmee elke persoon afzonderlijk door de lijn gaat, vertegenwoordigt de elektronendriftsnelheid, en de snelheid waarmee de duw door de lijn gaat, vertegenwoordigt de signaalsnelheid. Op basis van deze eenvoudige analogie zouden we verwachten dat de signaalsnelheid zeer snel is, de individuele snelheid enigszins snel, en de drijfsnelheid langzaam. (Merk op dat er in de natuurkunde ook een andere relevante snelheid in deze context bestaat die de “fasesnelheid” wordt genoemd. De fasesnelheid is meer een wiskundig hulpmiddel dan een fysische realiteit, dus ik denk niet dat het de moeite waard is die hier te bespreken).
De individuele elektronensnelheid in een metaaldraad is typisch miljoenen kilometers per uur. Daarentegen is de driftsnelheid meestal maar een paar meter per uur, terwijl de signaalsnelheid honderd miljoen tot een triljoen kilometer per uur bedraagt. In het algemeen ligt de snelheid van het signaal enigszins in de buurt van de lichtsnelheid in vacuüm, is de snelheid van het individuele elektron ongeveer 100 maal langzamer dan de snelheid van het signaal, en is de driftsnelheid van het elektron zo langzaam als een slak.
Onderwerpen: driftsnelheid, elektriciteit, elektromagnetisme, elektron, groepssnelheid, snelheid, golf, golven