Kategoria: Fizyka Opublikowano: 19 lutego 2014
Prędkość elektryczności naprawdę zależy od tego, co rozumiesz przez słowo „elektryczność”. Słowo to jest bardzo ogólne i w zasadzie oznacza „wszystkie rzeczy związane z ładunkiem elektrycznym”. Przyjmę, że odnosimy się do prądu elektrycznego podróżującego przez metalowy przewód, taki jak przewód zasilający lampy. W przypadku prądów elektrycznych podróżujących przez metalowe przewody, mamy do czynienia z trzema różnymi prędkościami, z których wszystkie są fizycznie znaczące:
- Prędkość pojedynczego elektronu
- Prędkość dryfu elektronu
- Prędkość sygnału
Aby zrozumieć każdą z tych prędkości i dlaczego wszystkie są różne, a jednak fizycznie znaczące, musimy zrozumieć podstawy prądów elektrycznych. Prądy elektryczne w przewodach metalowych są tworzone przez swobodne elektrony, które się poruszają. W kontekście typowych prądów elektrycznych w metalowych drutach, swobodne elektrony mogą być postrzegane jako małe kulki odbijające się w siatce nieruchomych, ciężkich atomów, z których zbudowany jest metalowy drut. Elektrony są w rzeczywistości bytami kwantowymi, ale dokładniejszy obraz kwantowy nie jest konieczny w tym wyjaśnieniu. (Kiedy dodamy do tego efekty kwantowe, indywidualna prędkość elektronu staje się „prędkością Fermiego”). Elektrony nie-wolne, czyli elektrony walencyjne, są zbyt mocno związane z atomami, aby mogły przyczynić się do powstania prądu elektrycznego i dlatego mogą być pominięte w tym obrazie. Każdy swobodny elektron w metalowym drucie nieustannie leci w linii prostej pod wpływem własnego pędu, zderza się z atomem, zmienia kierunek z powodu zderzenia i kontynuuje w linii prostej aż do następnego zderzenia. Jeśli metalowy drut jest pozostawiony sam sobie, wolne elektrony w jego wnętrzu nieustannie latają i zderzają się z atomami w przypadkowy sposób. Makroskopowo, ten przypadkowy ruch małych cząsteczek nazywamy „ciepłem”. Rzeczywista prędkość pojedynczego elektronu to ilość nanometrów na sekundę, którą elektron pokonuje idąc w linii prostej pomiędzy zderzeniami. Przewód pozostawiony sam sobie nie przenosi żadnego sygnału elektrycznego, więc prędkość pojedynczych elektronów poruszających się losowo jest tylko opisem ciepła w przewodzie, a nie prądu elektrycznego.
Jeśli podłączysz przewód do baterii, przyłożyłeś do niego zewnętrzne pole elektryczne. Pole elektryczne wskazuje jeden kierunek w dół długości drutu. Wolne elektrony w drucie odczuwają siłę pola elektrycznego i przyspieszają w kierunku pola (w rzeczywistości w przeciwnym kierunku, ponieważ elektrony są naładowane ujemnie). Elektrony nadal zderzają się z atomami, co nadal powoduje ich odbijanie się w różnych kierunkach. Ale oprócz tego przypadkowego ruchu termicznego, mają one teraz uporządkowany ruch netto w kierunku przeciwnym do pola elektrycznego. Prąd elektryczny w drucie składa się z uporządkowanej części ruchu elektronów, podczas gdy przypadkowa część ruchu nadal stanowi jedynie ciepło w drucie. Przyłożone pole elektryczne (takie jak przy podłączeniu baterii) powoduje zatem przepływ prądu elektrycznego w dół drutu. Średnia prędkość, z jaką elektrony poruszają się w dół drutu jest tym, co nazywamy „prędkością dryfu”.
Mimo, że elektrony średnio dryfują w dół drutu z prędkością dryfu, nie oznacza to, że efekty ruchu elektronów poruszają się z tą prędkością. Elektrony nie są tak naprawdę kulami stałymi. Nie oddziałują one na siebie dosłownie wbijając się w swoje powierzchnie. Raczej elektrony oddziałują na siebie poprzez pole elektromagnetyczne. Im bliżej siebie znajdują się dwa elektrony, tym silniej się odpychają poprzez swoje pola elektromagnetyczne. Interesuj±ce jest to, że kiedy elektron się porusza, jego pole porusza się razem z nim, tak więc elektron może wypchn±ć inny elektron dalej w dół przewodu poprzez swoje pole na długo przed fizycznym osi±gnięciem tego samego miejsca w przestrzeni co ten elektron. W rezultacie, efekty elektromagnetyczne mogą przemieszczać się w dół metalowego drutu znacznie szybciej niż jakikolwiek pojedynczy elektron. Te „efekty” to fluktuacje pola elektromagnetycznego, które sprzęga się z elektronami i rozchodzi w dół drutu. Ponieważ energia i informacja są przenoszone przez fluktuacje w polu elektromagnetycznym, energia i informacja również podróżować znacznie szybciej w dół drutu elektrycznego niż każdy pojedynczy elektron.
Prędkość, z jaką efekty elektromagnetyczne podróżować w dół drutu jest nazywany „prędkość sygnału”, „prędkość fali”, lub „prędkość grupy”. Zauważ, że niektóre książki insynuują, że prędkość sygnału opisuje czysto elektromagnetyczny efekt falowy. Ta insynuacja może być myląca. Gdyby sygnał podróżujący w dół kabla elektrycznego był izolowaną falą elektromagnetyczną, wówczas sygnał ten poruszałby się z prędkością światła w próżni c. Tak jednak nie jest. Sygnał podróżujący w dół kabla elektrycznego wymaga raczej interakcji zarówno fluktuacji pola elektromagnetycznego (fali), jak i elektronów. Z tego powodu prędkość sygnału jest znacznie większa niż prędkość dryfu elektronów, ale jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Ogólnie rzecz biorąc, prędkość sygnału jest nieco bliższa prędkości światła w próżni. Należy zauważyć, że omawiana tutaj „prędkość sygnału” opisuje fizyczną prędkość efektów elektromagnetycznych przemieszczających się w dół przewodu. W przeciwieństwie do tego, inżynierowie często używają wyrażenia „prędkość sygnału” w sposób nienaukowy, kiedy tak naprawdę mają na myśli „szybkość bitową”. Podczas gdy szybkość bitowa sygnału cyfrowego podróżującego przez sieć zależy od fizycznej prędkości sygnału w przewodach, zależy ona również od tego, jak dobrze komputery w sieci mogą kierować sygnały przez sieć.
Rozważmy tę analogię. Długa linia ludzi czeka, aby wejść do restauracji. Każda osoba fidgets nerwowo o w ich miejscu w linii. Osoba na końcu kolejki niecierpliwi się i popycha osobę stojącą przed nią. Z kolei, kiedy każda osoba w kolejce otrzymuje pchnięcie od osoby stojącej za nią, pcha ona osobę stojącą przed nią. W ten sposób pędnik będzie przekazywany od osoby do osoby, do przodu przez kolejkę. Pchnięcie to dotrze do drzwi restauracji na długo zanim ostatnia osoba w kolejce osobiście dotrze do drzwi. W tej analogii, ludzie reprezentują elektrony, ich ramiona reprezentują pole elektromagnetyczne, a pędnik reprezentuje fluktuację lub falę w polu elektromagnetycznym. Prędkość, z jaką każda osoba się wierci reprezentuje indywidualną prędkość elektronów, prędkość, z jaką każda osoba indywidualnie przechodzi przez linię reprezentuje prędkość dryfu elektronów, a prędkość, z jaką łopatka przechodzi przez linię reprezentuje prędkość sygnału. Bazując na tej prostej analogii, spodziewalibyśmy się, że prędkość sygnału będzie bardzo szybka, prędkość indywidualna będzie nieco szybka, a prędkość dryfu będzie wolna. (Zauważ, że w fizyce istnieje również inna istotna prędkość w tym kontekście zwana „prędkością fazową”. Prędkość fazowa jest bardziej narzędziem matematycznym niż rzeczywistością fizyczną, więc nie sądzę, że jest warta omawiania tutaj).
Prędkość pojedynczego elektronu w metalowym drucie wynosi typowo miliony kilometrów na godzinę. W przeciwieństwie do tego, prędkość dryfu wynosi zazwyczaj tylko kilka metrów na godzinę, podczas gdy prędkość sygnału wynosi od stu milionów do biliona kilometrów na godzinę. Ogólnie rzecz biorąc, prędkość sygnału jest nieco zbliżona do prędkości światła w próżni, prędkość pojedynczego elektronu jest około 100 razy wolniejsza od prędkości sygnału, a prędkość dryfu elektronów jest tak wolna jak ślimak.
Tematy: prędkość dryfu, elektryczność, elektromagnetyzm, elektron, prędkość grupowa, prędkość, fala, fale