Elektrik ne kadar hızlı akıyor?

Zaman zaman elektriğin düşük seviyeli fiziği hakkında kafam karışıyor. " Elektrik gücü hangi yönde bir devrededir " de ortaya çıktı ve ben tam olarak anlamadım.

Elektrik ne kadar hızlı akıyor? Bir dirençteki elektronun hızı telden farklı mıdır? Önemli mi? Yoksa elektronun etkileri tek önemli şey midir, düşük soyutlama seviyeleri pratikte kullanışlı değil midir?

Bu konuda zaten materyal olduğunu biliyorum ve bazılarını okudum. Bu sitede soruyu yapmak, asırlık soruya bazı ilginç cevaplar verebilir.

Bonus puanları:

• Yaygın kavram yanılgılarının belirlenmesi ve giderilmesi
• Lise diplomasına sahip birisinin, aşırı derecede fazla basitleştirmeden anlayabileceği şekilde açıklamak

Elektrik ne kadar hızlı akıyor? Bu iyi bir soru, çünkü yeterince basit bir soru gibi görünüyor, fakat genellikle bazı yanlış anlamalara işaret ediyor. Soruya cevap vermenin ilk zorluğu bilmek, elektrik nedir? Şunu mu demek istedin:

1. Elektrik alanlarındaki değişiklikler ne kadar hızlı yayılır? veya...
2. Elektrik yükü taşıyıcıları ne kadar hızlı hareket eder?

Genellikle, bu soruyu soran insanlar aslında öncekileri önemserler, ancak ikincisini düşünüyorlar. Ancak, farklılığı net bir şekilde anlamadıkça, temel kaygıları gerçekte geri adım atmadan ve soruna yol açan temel yanılgılara değinmeden ele alınamaz.

Anlayın şudur: güçler var, güçler ileten şeyler var ve aynı şey değiller. İşte bir örnek: Bir ipin bir ucunu tutuyorum ve diğer ucunu tutuyorsunuz. Dikkatini çekmek istediğimde ipi çekiyorum. Halat ve römorkör var. Römorkör, ipteki ses hızında ipten aşağıya bir kuvvet dalgası olarak hareket eder. Halatın kendisi de başka bir hızla hareket edecektir.

İki gözetleme kulem var ve yaklaşmakta olan işgalcileri görünce diğer kuleye bağırırım. Ses, ses hızında havada dalgalar halinde hareket eder. Havadaki moleküller ne kadar hızlı hareket ediyor? Umurunda mı?

Bazı insanlar, genellikle kaygıları ile ilgili olmasa da, moleküllerin hareketi gerçekte açıklanana kadar bunun devam etmesine izin vermez. İşte cevap: moleküller her zaman rastgele yönlerde uçuyorlar. Etrafta uçuyorlar çünkü sıfır olmayan sıcaklıkları var. Bazıları çok hızlı. Bazıları çok yavaş. Her zaman birbirlerine çarpıyorlar. Bu çok rastgele.

Bağırdığınızda, ses kanalınız bir miktar havayı sıkıştırır (ve ses telleriniz titreştikçe nadir görülür). Bu sıkıştırılmış bölgedeki moleküller, daha az basıncı olan bir bölgeye hareket etmek ister, öyle yaparlar. Ancak şimdi bu yakındaki bölge çok fazla havaya sahip ve etrafındaki havadan biraz daha sıkıştırılıyor, bu nedenle sıkıştırılmış bölge biraz daha fazla genişliyor. Bu sıkıştırma dalgası, ses hızında havada hareket eder.

Tüm bunlar, daha önce belirtilen moleküllerin rastgele hareketleri üzerine bindirildi. Ses kanalınızda bulunan moleküllerin dinleyicinin kulağında titreyenlerin olma olasılığı düşüktür. Tek tek molekülleri izlerseniz, her yöne gittiklerini gözlemleyeceksiniz. Ancak birçoğunu gözlemlerseniz, bir yönünün diğerine karşı bir miktar daha gittiğini fark edeceksiniz. “Ses” olarak adlandırdığımız her şey için moleküllerin termal gürültü nedeniyle rastgele hareketlerinin ses nedeniyle hareketlerinden çok daha fazla olduğu doğrudur. “Ses” daha alakalı bir hareket haline geldiğinde, ona “ses” değil de “patlama” diyoruz.

Elektrikle ilgili durum pek farklı değil. Metal bir iletken, tüm devreyi rastgele yönlerde dolaşmakta özgür olan elektronlarla doludur ve öyledir, çünkü ılık oldukları için. Devrelerimizdeki şeyler elektron denizinde dalgalar oluşturur ve bu dalgalar ışık hızında ¹ yayılırlar . Tipik olarak devrelerde karşılaştığımız akımlarda, elektron hareketinin çoğu termal gürültüye bağlıdır.

Şimdi soruları cevaplayabiliriz:

Elektrik alanlarındaki değişiklikler ne kadar hızlı yayılır? Yayıldıkları ortamda ışık hızında. Çoğu kablo için bu, bir vakumdaki ışık hızının% 60 ila% 90'ının çevresindedir.

Elektrik yükü taşıyıcıları ne kadar hızlı hareket eder? Bireysel şarj taşıyıcıların hızları rastgeledir. Tüm bu hızların ortalamasını alırsanız, yük taşıyıcı yoğunluğuna, akıma ve iletkenin kesit alanına bağlı olarak bir hız elde edebilirsiniz ve tipik olarak bakır telde saniyede birkaç milimetreden azdır. Bunun üzerinde, dirençli kayıplar sıradan metallerde yüksek olur ve insanlar yükleri daha hızlı hareket etmeye zorlamak yerine telleri büyütme eğilimindedir.

Daha fazla okuma: Bill Beaty'den Elektrik Akış Hızı

^{1: Işık hızı, tıpkı ses gibi, ışığın yayıldığı malzemeye de bağlıdır. Dalga yayılma hızına bakınız .}

Bu gerçekten bir elektronik sorusundan çok bir fizik sorusudur ... Elektrik ve elektronik mühendisleri olmanın sebebi nadiren (hiç) böyle bir atom altı hesaplamaları dikkate alır. Elektronların hareket ettiği gerçeği, gerçekten önemli olan, ne kadar hızlı hareket ettikleri, devre üzerinde çok az sonuçtur. Mühendis için yararlı olabilecek, elektrik potansiyelinin (voltajın) ne kadar hızlı değişebileceğini bilmesidir, çünkü bu, şarj taşıyıcısının direnci, kapasitansı ve endüktansı ile ilgili olan bir tel (kablo hızı) üzerindeki maksimum veri iletimini belirleyecektir, Diğer şeylerin yanı sıra. Bu, diğer bazı cevaplarda tartışılan dalga yayılma hızı ile de ilişkilidir. Bunlar tamamen farklı iki konu.

Elektriğe Genel Bakış

Başlamak için "elektrik" akmıyor. Elektrik, elektrik yükünün akışının fiziksel tezahürüdür . Bu terim geniş bir fenomen yelpazesine uygulanmasına rağmen, en çok elektronların hareketi (uyarma) - negatif yüklü subatomik partiküller ile ilişkilidir. Bazı elementler birleştiğinde, elektronlar elektron bulutunun en dış tabakasında bir atomdan diğerine serbestçe hareket edebilir. Bir iletken kolayca elektron akışına izin verirken, bir yalıtkan onu kısıtlar. Yarı iletkenler (silikon gibi) kontrol edilebilir iletkenliğe sahiptir ve bu da modern elektroniklerde kullanım için idealdir.

Bildiğiniz gibi, elektrik akımı amper (amper) cinsinden ölçülür. Bu gerçekten, bir saniye içinde kaç elektronun tek bir noktadan geçtiği ölçüsüdür:

1 Amp = Saniyede 1 Coulomb = 6.241509324x10 ^ 18 Saniyede elektron

Bir iletken boyunca bir voltaj (potansiyel) mevcut olduğu sürece (bir tel, direnç, motor vb.) Akım akacaktır. Voltaj, iki nokta arasındaki elektrik potansiyelinin bir ölçümüdür, bu nedenle daha yüksek bir voltaja sahip olmak daha yüksek bir akım akışına, yani daha fazla elektronun saniyede bir noktadan hareketine izin verecektir.

Elektron Hızı

Tabii ki, oruç bilinen hız ışık hızıdır: 3 * 10 ^ 8 m / s. Bununla birlikte, elektronlar tipik olarak bu hızın yakınında hiçbir yere hareket etmez. Aslında, ne kadar yavaş hareket ettiklerini bilmek sizi şaşırtacaktır.

Elektronun gerçek hızı sürüklenme hızı olarak bilinir . Bir akım aktığında, elektronlar tel olsa da düz bir çizgide hareket etmezler, ama atomların etrafında dolaşırlar. Elektron akışının gerçek ortalama hızı, aşağıdaki formülü kullanan akımla orantılıdır:

v = I / (nAq) = akım / (taşıyıcı yoğunluğu * taşıyıcı kesit alanı * taşıyıcı yükü)

Bu örnek Wikepedia'dan alınmıştır , çünkü rakamlara kendim bakmak istemedim ...

1 mm çapında bir bakır telden akan 3A akımını düşünün. Bakırın yoğunluğu 8,5 * 10 ^ 25 elektron / m ^ 3'tür ve bir elektronun yükü -1,6 * 10 ^ (- 19) Coulomb'dur. Tel, 7.85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2 kesit alanına sahiptir. Dolayısıyla, kayma hızı şöyle olacaktır:

v = (3 Coulombs / s) / (8,5 * 10 ^ 25 elektron / m ^ 3 * 7,85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2 * -1,6 * 10 ^ (- 19) Coulombs)

v = -0.00028 m / s

Negatif hıza dikkat edin, bu aslında akımın tersi yönde aktığını ima eder. Bunun dışında, fark edilmesi gereken tek şey, bunun gerçekte ne kadar yavaş olduğu. 3 amperlik bir akım o kadar küçük değildir ve bakır tel mükemmel bir iletkendir! Aslında, şarj taşıyıcısındaki direnç ne kadar yüksek olursa, hız o kadar hızlı olacaktır. Bu, bir duş başlığındaki farklı ayarların aynı su basıncının musluktan farklı hızlarda çıkmasına neden olacağına benzer. Delik ne kadar küçük olursa, suyun o kadar hızlı çıkması gerekir!

Bunu Anlamak

Elektronlar çok yavaş hareket ederse, bu kadar hızlı veri iletmek nasıl mümkün olabilir? Ya da, bir ışık düğmesi o kadar uzak bir yerden ışığı nasıl kontrol edebilir? Bunun nedeni, herhangi bir şeyin çalışması için devrede bir noktadan diğerine akması gereken tek bir elektron olmamasıdır. Aslında, devrenin her noktasında, yeterince büyük bir potansiyel (voltaj) uygulandığında hareket eden her zaman birçok serbest elektron (miktar taşıyıcı malzemenin temel yapısına bağlıdır) vardır.

Boruda su düşünün. Boruda başlayacak su yoksa, musluğun açılması durumunda suyun musluğa ulaşması biraz zaman alacaktır. Ancak, bir evde, borunun her noktasında zaten su ile su bulunmalıdır, bu nedenle su açıldığı anda musluktan dışarı akar. Su kaynağından musluğa seyahat etmek zorunda değildir, çünkü zaten borunun içindeyken, sadece onu itme potansiyelini bekler. Bir tel ile aynıdır: Telin içinde zaten çok fazla elektron var, sadece gerilim potansiyelinin varlığı tarafından itilmeyi bekliyor. Bir elektronun teldeki bir noktadan diğerine hareket etmesi için gereken hız tamamen anlamsızdır.

Bu harika tartışıldığı üzere Öte yandan, fiziksel bir ortamda yoluyla veri iletiminin hızı, önemlidir ve teorik maksimum var sorusuna ve cevapları burada o girmeyeceğim böylece.

Elektronlar sizi yanıltıyor. Onları önemseme. Yine de yanlış yöne gidiyorlar. İnsanlar, etrafta dolaştığını gösteren küçük animasyonlu modeller kurmayı çok seviyor - ki bu doğru ve elektronik iletişimin neredeyse anında olduğunu gözlemliyor - doğru ve elektronların anlık olarak hareket ettiği sonucuna varıyor - ki bu yanlış.

1. Elektrik ne kadar hızlı akıyor?

   İki olası yorum vardır: "elektronlar ne kadar hızlı hareket eder?" ve "bir elektronik sinyal ne kadar hızlı hareket eder?"

   Kurt çoktan "elektronlar ne kadar hızlı hareket ediyor?" Diye yanıtladı. ile sürüklenme hızının . Bununla birlikte, elektronik sinyaller, yük taşıyıcıların yardımıyla malzemeden yayılan elektromanyetik dalga ile tanımlanır. Sinyal , iletim hattının özelliklerinden etkilenen ışık hızının bir kısmını kesir .

   Bu, yüksek hızlı sistemlerde gerçek sınırlamalar getirir. Uygulamada, bir sinyalin 30cm PCB boyunca yayılması bir nanosaniye civarında sürer. Sonuç olarak, bilgisayarın parçaları arasında minimum bir gecikme var.

   Hat endüktansı ve kapasitansı ne kadar "keskin" bir kenar oluşturabilir ve onu bir hat aşağı gönderebilir. Bir sinüs dalgası şekline doğru bulaşacak.

   Bir taşıyıcıya koyabileceğiniz veri miktarının, sinyal / gürültü oranına göre hala farklı olduğunu unutmayın. Yayılma hızı, bant genişliğini değil asgari gecikmeyi belirler.

2. Bir dirençteki elektronun hızı telden farklı mıdır?

3. Önemli mi?

   Yukarıdan, elektronların hızları için cevapların "evet" ve "hayır" olduğunu biliyoruz.

   Dalga yayılma hızı, hem yaydığınız malzemenin kapasitansından, hem endüktansından hem de dielektrik sabitinden ve yakındaki yalıtıcılardan toprak düzlemlerine etkilenir. Bu nedenle, bir sinyal, farklı bir malzemeden yapılmış ve tahtadan uzak durduğundan, bir dirençten bir kablodan çok az farklı bir hızda yayılır.

4. Yoksa elektronun etkileri tek önemli şey midir, düşük soyutlama seviyeleri pratikte kullanışlı değil midir?

Çoğu zaman, elektronlar için endişelenmenize gerek yoktur. Doğrudan katod ışın tüplerine, vakumlu floresan göstergelere ve termiyonik "vanalara" dahil olurlar.

Bu aynı zamanda fiziğin zor ve bazen de sezgisel olduğu yarı iletkenler için de geçerlidir, ancak bir devrede bir transistör, FET veya diyotun nasıl kullanılacağına ilişkin temel bilgiler çok daha kolaydır.

Bir domino hattı düşünün - bir ucunu bir kenara itin ve rahatsızlık diğerine geçer. Tek tek parçaların ve rahatsızlık veya dalga cephesinin hızları çok farklıdır ve hiçbir bireysel parça buradan oraya gitmez.

İstilacı olan birçok fikir var.

• Elektronlar ne kadar hızlı hareket eder?
• Bir akım akarken elektronlar ne kadar hızlı sürüklenir?
• Bir sinyal bakır tel boyunca ne kadar hızlı yayılır?

Bunu, eski borularda su analojisiyle ilişkilendirebilirsiniz.

• H20 molekülleri her zaman sıvı halde (veya 0 Kelvin'in üzerindeki herhangi bir durumda) titriyorlar
• Bir hortum borusundaki H20 molekülleri de musluktan memeye yavaşça kayıyor
• Musluğu açtığınızda, basınç dalgası sürüklenme hızından çok daha hızlı hareket eder.

Elektronlar için gerçek cevaplar

• Bilmiyorum, oldukça hızlı. 2 x 10 ^ 6 m / s? ( ref †)
• Tipik bir değer saatte 1 metre olabilir.
• Işık hızının bir kısmı. ( ref ‡)

_{† Belirli bir yörüngede bulunan bir elektron için, muhtemelen bakırdaki "serbest" elektronlar için çok farklıdır :-).
‡ Tuzlu sudaki bir sinyal için, muhtemelen bakır için çok farklıdır :-)}

Bunun bir başka yönü:

OP sorusuna herkes cevap vermeden önce, önce "Elektrik" kelimesini tanımlamamız gerekir. Elektronlar aktığında, bu bir "elektrik akışı" mıdır? Hayır ve evet! Farklı ders kitapları birbiriyle çelişir. Uzmanların kabul edebileceği basit bir cevap yok.

Fizik, Elektrik Miktarının coulomb olarak tanımlandığını söylüyor; şarj olarak. (Örneğin, CRC El Kitabı'na bakınız. Veya NIST veya fizik birimleri için MKS SI standartları.) Bu "elektrik" tanımına göre, elektronun hareket ederken onunla birlikte az miktarda elektrik taşıdığını söyleyebiliriz. Metallerde akan elektrik, elektrik akımı, yavaş sürüklenen elektronlardır.

Bu neden bir problem? Basit: Fizik dışı ders kitaplarının çoğu tamamen aynı fikirde değil. Bunun yerine "elektriğin" "elektron akışı" veya akım anlamına geldiğini belirtirler. Onlar için, "elektrik" coulomb değil, akış hızıdır; Amper Onlar için, akış durduğunda, "elektrik" kayboldu.

Ancak fizikçiler için, akış durduğunda, elektrik tellerin içinde hareketsiz bir şekilde oturur, çünkü taşıyıcıların yoğunluğu, amper değiştiğinde değişmez. Fizikçiler için, tüm teller zaten elektrikle doludur; her zaman bir "elektron denizi" içerir; tüm metallerin mobil taşıyıcıları. Ancak fizik olmayan ders kitapları için, teller "elektriğin" neredeyse ışık hızında yakınlaştığı boş borular gibidir.

O zaman elektrik nedir? Fizik standartları (MKS, SI standartları sözleşmesi) elektriği açıkça tanımlamaktadır. Ancak okul kitaplarımız bunu görmezden geliyor ya da sessizce fizik standartlarının istenildiği gibi değiştirilebileceğini iddia ediyorlar. Bunun yerine, okul kitaplarının hepsi "elektriği" çok farklı bir şekilde tanımlamayı kabul eder: ücretlerin miktarı olarak değil, ücretlerin akan hareketi olarak.

O zaman elektrik nedir? (Veya daha ustaca, elektrik ... elektriğin akışı mu? Ve elektrik ne zaman akmaya başlarsa, bu akışı "... elektrik" olarak adlandırır mıyız?)

:)

Bu delilik, mühendislik dilini bile etkiliyor. Fizikçiler, elektronların metallerdeki yük taşıyıcıları olduğunu söylüyorlar. Mühendisler bunun yerine onları derler ... güncel taşıyıcılar? Evet. Herhangi bir üniversite mühendisliği metnini kontrol edin. Fizikçiler şarjın korunmasını bilir. Bu temel bir yasadır. Ama biz mühendisler öğreniriz ... Akımın Korunması ?! Akıntıya, tellerden geçen "eşyalar" olduğu öğretildi. EE ders kitapları “akımın akışı” tabiriyle doludur ve nadiren doğru sürümü, “ücretin akışı” ndan söz etmezse.

Bu tür sorunlara geleneksel çözüm iyi bilinmektedir: standartlar geliştirmek ve teknik terimleri dar olarak tanımlamak. Sonra bu dil standartlarına dikkatlice uyun. Popüler tanımları kullanmayın, bunun yerine sadece dar bilimsel terminoloji kullanın. Bu, tüm sis ve BS ve karışıklığı keser. Yine de bu durumda, fizik standartlarını kullanmak, binlerce fizik bilimi olmayan bilim / elektronik / mühendis ders kitabı ve uzman neslin temelde yanlış olduğu anlamına geleceğinden, yokuş yukarı bir savaş olacaktı. Temel bilimsel terminolojiyi sürekli kötüye kullanmalarından ötürü, birçok kuşak öğrencinin artık “elektriğin” gerçekte ne olduğu hakkında hiçbir fikri yoktur ve bu nedenle Drift Velocity (yük akışı,

Daha fazla BS-kesme: akımlar akmaz, bunun yerine yayılırlar. Bir çubuğun bir ucuna bastığımızda, hareket akmaz. Bunun yerine bir dalga olarak yayılır. Devrelerde akımlarla aynı şey: yüklerin akışı evet, fakat akımların dalga yayılımı. Akımların ışığa yakın hızla yayılması EM dalgası ile aynı şeydir.

Ve son olarak, kendinize bu kritik derecede önemli soruyu sorun: nehirler ve akarsularda "aktüel" akıyor mu? Yoksa aslında su denir mi?