Ποια είναι η ταχύτητα του ηλεκτρονίου σε έναν αγωγό μεταφοράς ρεύματος;

Η ταχύτητα ενός μεμονωμένου ηλεκτρονίου είναι στην κλίμακα των εκατομμυρίων μέτρων ανά δευτερόλεπτο, αλλά η μέση ταχύτητα ή η ταχύτητα μετατόπισης είναι πολύ μικρότερη από ένα εκατομμύριο μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Η ταχύτητα του σήματος είναι εκατό έως χίλιες φορές μικρότερη από την ταχύτητα μετατόπισης του ρεύματος συνεχούς ρεύματος.

Μερικοί άνθρωποι, φαίνεται, σε μια σύγχυση σχεδόν πανομοιότυπων εννοιών, οδηγήθηκαν να πιστέψουν ότι τα ηλεκτρόνια σε έναν αγωγό ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα με το φως. Πιστεύετε πραγματικά ότι εάν κάποιος πυροδοτούσε ταυτόχρονα μια ακτίνα λέιζερ από τη Γη σε έναν ανιχνευτή στον Άρη και περνούσε ηλεκτρισμό μέσω ενός καλωδίου μήκους πολλών εκατομμυρίων μέτρων που συνδέει μια μπαταρία στη Γη και μια λάμπα στον Άρη, τότε ο ανιχνευτής και ο λαμπτήρας θα ανάβει ταυτόχρονα;

Το φως που εκπέμπεται από τον ήλιο και τα ηλεκτρόνια σε έναν αγωγό ταξιδεύει με την ίδια ταχύτητα; (Πίστωση εικόνας:Pixabay.com)

Γιατί τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να ταξιδέψουν με την ταχύτητα του φωτός

Υπάρχουν μόνο τρεις τρόποι με τους οποίους μπορεί να τελειώσει αυτή η κούρσα μεταξύ ενός ηλεκτρονίου και ενός φωτονίου:είτε το ηλεκτρόνιο κερδίζει, το φωτόνιο κερδίζει, είτε - η πιο βαρετή πιθανότητα - η κούρσα τελειώνει με ισοπαλία. Προφανώς, η πρώτη πιθανότητα πρέπει να αγνοηθεί. είναι φυσική αδυναμία, τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει πιο γρήγορα από το φως. Άρα το φωτόνιο κερδίζει; Εάν ναι, γιατί ο αγώνας δεν τελειώνει με ισοπαλία;

Το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να κερδίσει τον αγώνα στο κενό, πόσο μάλλον μέσα σε έναν αγωγό. Το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να ταξιδέψει με την ίδια ταχύτητα με το φως για τον απλό λόγο ότι έχει μάζα. Το φως είναι το πιο γρήγορο πράγμα στο Σύμπαν επειδή είναι χωρίς μάζα. δεν φέρει μαζί του αποσκευές και δεν παρουσιάζει καμία απολύτως αδράνεια που να εμποδίζει την κίνησή του.

Το φως είναι το πιο γρήγορο πράγμα στο Σύμπαν επειδή είναι χωρίς μάζα. (Φωτογραφία:Pexels)

Η μάζα ενός ηλεκτρονίου μπορεί να είναι γελοία μικρή σε μέγεθος, αλλά είναι αρκετή για να αποτρέψει το σωματίδιο από το να ταξιδέψει με ταχύτητα 300 εκατομμύρια m/s. Στην πραγματικότητα, παραμελώντας το φωτόνιο, γιατί είναι χωρίς μάζα, το ηλεκτρόνιο δεν είναι καν το ελαφρύτερο σωματίδιο που έχουμε ανακαλύψει ακόμα. αυτός ο τίτλος ανήκει στο νετρίνο. Ένα ηλεκτρόνιο έχει σχεδόν 5.00.000 φορές μεγαλύτερη μάζα από ένα νετρίνο.

Οι Ταχύτητες Ηλεκτρισμού

Ατομική ταχύτητα ηλεκτρονίων

Ένα μέταλλο όπως ο χαλκός αγώγει επειδή είναι γεμάτο από ελεύθερα ηλεκτρόνια. Είναι μόνο εκείνα τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο σθένος των ατόμων τους ή στο εξωτερικό κέλυφος που, λόγω της εγγύτητάς τους από τον πυρήνα, τείνουν να έλκονται λιγότερο από αυτόν και επομένως μπορούν να ξεφύγουν ή να απελευθερωθούν από την έλξη του. Όταν συνδέουμε το μέταλλο σε μια μπαταρία, το παραγόμενο ηλεκτρικό πεδίο ασκεί μια δύναμη στα ελεύθερα ηλεκτρόνια, ωθώντας τα μακριά από τον αρνητικό ακροδέκτη και προς τον θετικό ακροδέκτη. Αυτή η ροή φορτίων είναι που αποτελεί ηλεκτρική ενέργεια.

Ωστόσο, το ουσιαστικό «ροή» είναι εξαιρετικά παραπλανητικό:η ηλεκτρική ενέργεια δεν χαρακτηρίζεται από μια σταθερή, συνεχή ροή ηλεκτρονίων που έλκονται προς το θετικό τερματικό. Ο ακριβής ορισμός αναφέρει απλώς την «κίνηση». η εντελώς τυχαία και τυχαία κίνηση ηλεκτρονίων ή φορτίων. Τα φορτία κυριολεκτικά χάνονται στο εσωτερικό του αγωγού, σκοντάφτουν αδιάκοπα και συγκρούονται όχι μόνο το ένα με το άλλο, αλλά και τα υπόλοιπα άτομα του μετάλλου στο δρόμο τους προς το τερματικό. Αυτός ο ορισμός εξηγεί επίσης πολύ προσεκτικά την ύπαρξη αντίστασης:οι συγκρούσεις παράγουν θερμότητα και εμποδίζουν την κίνησή τους, μειώνοντας έτσι την τιμή του ρεύματος.

Η ταχύτητα ενός ατόμου Το ηλεκτρόνιο είναι επομένως η ταχύτητά του μεταξύ των συγκρούσεων. Πόσο χρόνο χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο για να ταξιδέψει ίσως ένα νανόμετρο; Η μεμονωμένη ταχύτητα μετριέται στην κλίμακα των εκατομμυρίων μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Ωστόσο, επειδή η κίνησή τους είναι τυχαία, κάθε ηλεκτρόνιο διέρχεται με διαφορετική ταχύτητα.

Μέση ή μετατόπιση

Η αβεβαιότητα είναι ενοχλητική γιατί κάνει τους υπολογισμούς δυσκίνητους. Για να απαλλαγούμε από αυτή τη μεταβλητότητα, πρέπει να λάβουμε έναν μέσο όρο κάθε ταχύτητας πριν και μετά τις συγκρούσεις. Η μέση ταχύτητα είναι γνωστή ως ταχύτητα μετατόπισης και θεωρείται ότι είναι η ταχύτητα με την οποία κινείται ο ηλεκτρισμός.

Μερικά ηλεκτρόνια ταξιδεύουν εξαιρετικά γρήγορα, ενώ άλλα όχι. Είναι προφανές ότι ο μέσος όρος θα είναι πολύ μικρότερος από ένα εκατομμύριο μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Ωστόσο, αυτό που είναι εκπληκτικό είναι ότι ο μέσος όρος των ταχυτήτων εκτοξεύει την υποδιαστολή στα αριστερά σε μια απόσταση που δεν θα φανταζόταν κανείς. Η ταχύτητα μετατόπισης των ηλεκτρονίων μέσω ενός χάλκινου σύρματος διατομής 3,00 x 10-6 m2, που φέρει ρεύμα 10Α, είναι περίπου 2,5 x 10-4 m/s, ή ένα τέταρτο του χιλιοστού ανά δευτερόλεπτο!

Η ταχύτητα μετατόπισης αυξάνεται με την αύξηση της τάσης DC, αλλά παραμένει σταθερή είτε με μείωση είτε με αύξηση της τάσης AC… σταθερά αμελητέα. Η ταχύτητα μετατόπισης του εναλλασσόμενου ρεύματος είναι εκατό έως χίλιες φορές μικρότερη από την ταχύτητα μετατόπισης του ρεύματος συνεχούς ρεύματος. Ενώ ήταν 250 μικρόμετρα ανά δευτερόλεπτο για το προαναφερθέν χάλκινο σύρμα που μεταφέρει ρεύμα συνεχούς ρεύματος, θα ήταν 0,25 μικρόμετρα ανά δευτερόλεπτο για το ίδιο καλώδιο που μεταφέρει ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος.

Ούτε καν το σημείο επαφής ή ο διακόπτης μέσω του οποίου διαφεύγουν τα ηλεκτρόνια είναι μεγαλύτερο από 0,25 μικρόμετρα. Να θυμάστε ότι τα ηλεκτρόνια που αποτελούν ένα εναλλασσόμενο ρεύμα, σε αντίθεση με εκείνα που αποτελούν ένα συνεχές ρεύμα, δεν κινούνται γραμμικά προς τα εμπρός, αλλά εναλλάσσονται μεταξύ των ακροδεκτών. αν εναλλάσσονται με 0,25 μικρόμετρα ανά δευτερόλεπτο, παραδόξως δεν μπαίνουν καθόλου στο κύκλωμα;

Ταχύτητα σήματος

Τέλος, λίγοι άνθρωποι πιστεύουν ότι ο ηλεκτρισμός ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός επειδή συγχέουν την ταχύτητα μεμονωμένων ηλεκτρονίων με την ταχύτητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που ακτινοβολούν τα ηλεκτρόνια. Ωστόσο, ενώ ένα ηλεκτρόνιο, ως αδιαίρετο, σωματίδιο που φέρει μάζα, δεν μπορεί να ταξιδέψει με την ταχύτητα του φωτός, τα αποτελέσματά του μπορούν… σχεδόν, σχεδόν.

(Φωτογραφία:Pixabay)

Είναι αλήθεια ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός. Στην πραγματικότητα, το ίδιο το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Ωστόσο, η ταχύτητα ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος ποικίλλει ανάλογα με τις ιδιότητες του μέσου στο οποίο ταξιδεύει. Τα κύματα που εκπέμπουν τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν με ταχύτητα 300 εκατομμυρίων μέτρων ανά δευτερόλεπτο στο κενό, αλλά θα ταξίδευαν με την ίδια ταχύτητα σε έναν αγωγό μόνο εάν το επιτρέπει η δομή ή η γεωμετρία του.

Τα κύματα, ή αυτό που ονομάζεται σήμα, μπορεί να ταξιδεύουν οπουδήποτε μεταξύ 50%-90% της ταχύτητας του φωτός ανάλογα με το αν τα ηλεκτρόνια κινούνται σε έναν «κακό» ή «καλό» αγωγό. Εάν τα ηλεκτρόνια κυριολεκτικά παρασύρονται για να ολοκληρώσουν ένα κύκλωμα, πώς λάμπει λοιπόν η λάμπα στην κρεβατοκάμαρά σας σχεδόν ακαριαία; Λοιπόν, επειδή η επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ή του σήματος διαδίδεται, όχι με την ταχύτητα του φωτός, αλλά με μια ταχύτητα αρκετά μεγάλη ώστε να το αντιλαμβανόμαστε ως ουσιαστικά στιγμιαία. Για το λόγο αυτό, η κούρσα δεν μπορεί να τελειώσει ούτε με ισοπαλία. το φωτόνιο θα βγαίνει πάντα νικητής.

Σκεφτείτε το ως εξής:φανταστείτε μια ουρά από ξεδιάντροπα ανυπόμονους ανθρώπους που ταράζονται με αγωνία στη θέση τους. Ξαφνικά, ο τελευταίος στην ουρά αποφασίζει να σπρώξει τον μπροστά, ο οποίος κατά συνέπεια σπρώχνει αυτόν που βρίσκεται μπροστά της και ούτω καθεξής. Η ώθηση ή το σήμα «ταξιδεύει» ακαριαία, αλλά το άτομο ή το ίδιο το ηλεκτρόνιο δεν το κάνει. Αν ο κόσμος είχε κάνει ουρά για να μπει σε μια πόρτα, το σπρώξιμο που διαδόθηκε προφανώς θα έφτανε πρώτα στην πόρτα. Η πρώτη ώθηση, ωστόσο, θα ήταν ακόμα πολύ πιο πίσω. Οι άνθρωποι θα συνέχιζαν να ανησυχούν για το πώς τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια κουμπώνουν με τεράστιες ταχύτητες. Η ουρά κατά μέσο όρο, ωστόσο, προχωρά με αμβλύ ρυθμό.