Quanto velocemente scorre l'elettricità?

Di tanto in tanto mi confondo sulla fisica a basso livello dell'elettricità. È venuto fuori in "In che modo l'energia elettrica alimenta un circuito " e non lo capisco del tutto.

Quanto velocemente scorre l'elettricità? La velocità di un elettrone è diversa nel dire una resistenza rispetto a un filo? Importa? O gli effetti dell'elettrone sono l'unica cosa importante, con livelli di astrazione inferiori non utili nella pratica?

So che ci sono già materiali su questo argomento e ne ho letti alcuni. Penso che avere la domanda su questo sito possa ispirare alcune risposte interessanti alla domanda secolare.

Punti bonus per:

• Individuare e chiarire idee sbagliate comuni
• Spiegare in modo che qualcuno con un diploma di scuola superiore possa capire, senza semplificare così tanto che non è corretto

Quanto velocemente scorre l'elettricità? Questa è una buona domanda, perché sembra una domanda abbastanza semplice, ma di solito indica alcune idee sbagliate sottostanti. La prima difficoltà a rispondere alla domanda è sapere cos'è l'elettricità? Vuoi dire:

1. Con quale velocità si propagano i cambiamenti nei campi elettrici? o...
2. Con quale velocità si muovono i portatori di carica elettrica?

Di solito, le persone che fanno questa domanda si preoccupano davvero della prima, ma stanno pensando alla seconda. Tuttavia, non avendo una chiara comprensione della differenza, la loro preoccupazione di fondo in realtà non può essere affrontata senza fare un passo indietro e affrontare le idee sbagliate sottostanti che portano alla domanda.

Capire è questo: ci sono forze e ci sono cose che trasmettono forze e non sono la stessa cosa. Ecco un esempio: sto tenendo un'estremità di una corda e tu stai tenendo l'altra estremità. Quando voglio attirare la tua attenzione, tiro la corda. C'è la corda e c'è il rimorchiatore. Il rimorchiatore viaggia come un'onda di forza lungo la corda alla velocità del suono nella corda. La stessa corda si sposterà ad un'altra velocità.

Di 'che ho due torri di avvistamento e quando vedo gli invasori che si avvicinano, grido all'altra torre. Il suono viaggerà come onde nell'aria alla velocità del suono. Con quale velocità si muovono le molecole nell'aria? Ti importa?

Alcune persone non lo lasceranno andare fino a quando il moto delle molecole non sarà effettivamente spiegato, anche se di solito non è rilevante per le loro preoccupazioni. Quindi ecco la risposta: le molecole volano in tutte le direzioni casuali, sempre. Volano in giro perché hanno una temperatura diversa da zero. Alcuni sono molto veloci. Alcuni sono molto lenti. Si scontrano sempre. È molto casuale.

Quando gridi, il tuo tratto vocale comprime (e rarefica, mentre le corde vocali vibrano) parte dell'aria. Le molecole in questa regione compressa vogliono spostarsi in una regione con meno pressione, quindi lo fanno. Ma ora questa regione vicina ha troppa aria ed è un po 'più compressa dell'aria che la circonda, quindi la regione compressa si espande un po' più verso l'esterno. Questa ondata di compressione si muove attraverso l'aria alla velocità del suono.

Tutto ciò accade sovrapposto al moto casuale delle molecole precedentemente menzionate. È improbabile che le stesse molecole presenti nel tratto vocale siano quelle che vibrano nell'orecchio dell'ascoltatore. Se guardi singole molecole, le osserverai andare in tutte le direzioni. Solo se ne osservi molti noterai che leggermente più è andato in una direzione rispetto a un'altra. È vero per tutte le cose che chiameremmo "suono" che il movimento casuale delle molecole dovuto al rumore termico sia molto più del loro movimento dovuto al suono. Quando il "suono" diventa il movimento più rilevante, tendiamo a chiamarlo non "suono" ma piuttosto "esplosione".

La situazione con l'elettricità non è molto diversa. Un conduttore di metallo è pieno di elettroni che sono liberi di vagare per l'intero circuito in direzioni casuali, e lo fanno, semplicemente perché sono caldi. Le cose nei nostri circuiti creano onde in questo mare di elettroni e queste onde si propagano alla velocità della luce ¹ . Alle correnti che normalmente incontriamo nei circuiti, la maggior parte del movimento degli elettroni è dovuta al rumore termico.

Quindi ora possiamo rispondere alle domande:

Con quale velocità si propagano i cambiamenti nei campi elettrici? Alla velocità della luce nel mezzo in cui si stanno propagando. Per la maggior parte dei cavi, questo è nelle vicinanze dal 60% al 90% della velocità della luce nel vuoto.

Con quale velocità si muovono i portatori di carica elettrica? Le velocità dei singoli portatori di carica sono casuali. Se si prende la media di tutte queste velocità, è possibile ottenere una velocità che dipende dalla densità del portatore di carica, dalla corrente e dall'area della sezione trasversale del conduttore ed è generalmente inferiore a pochi millimetri al secondo in un filo di rame. Inoltre, le perdite resistive diventano elevate nei metalli ordinari e le persone tendono a allargare i fili invece di forzare le cariche a muoversi più velocemente.

Ulteriori letture: Speed ​​of Electricity Flow di Bill Beaty

^{1: La velocità della luce dipende dal materiale in cui la luce si sta propagando, proprio come con il suono. Vedi Velocità di propagazione delle onde .}

Questa è davvero una questione di fisica più che di elettronica ... La ragione per cui gli ingegneri elettrici ed elettronici raramente (se mai) prendono in considerazione calcoli subatomici. Il fatto che gli elettroni si muovano del tutto è ciò che conta davvero, la velocità con cui si muovono ha poca conseguenza sul circuito. Ciò che può essere utile all'ingegnere è sapere quanto velocemente può cambiare un potenziale elettrico (tensione) poiché questo deciderà la massima trasmissione di dati su un filo (velocità del filo) che è correlato alla resistenza, capacità e induttanza del portatore di carica, tra l'altro. Questo è anche associato alla velocità di propagazione dell'onda discussa in alcune delle altre risposte. Queste sono due questioni completamente diverse ...

Panoramica sull'elettricità

Per iniziare, "l'elettricità" non scorre. L'elettricità è la manifestazione fisica del flusso di carica elettrica. Sebbene questo termine si applichi a un ampio spettro di fenomeni, è in genere associato al movimento (eccitazione) di elettroni - particelle subatomiche caricate negativamente. Quando alcuni elementi sono composti, gli elettroni possono muoversi liberamente attraverso lo strato più esterno della nuvola di elettroni da un atomo al successivo. Un conduttore consente facilmente il flusso di elettroni, mentre un isolante lo limita. I semiconduttori (come il silicio) hanno conducibilità controllabile, che li rende ideali per l'uso nell'elettronica moderna.

Come forse saprai, la corrente elettrica viene misurata in ampere (ampere). Questa è davvero una misura di quanti elettroni si muovono attraverso un singolo punto in un secondo:

1 Amp = 1 Coulomb al secondo = 6.241509324x10 ^ 18 Elettroni al secondo

Finché è presente una tensione (potenziale) attraverso un conduttore, fluirà corrente (un filo, un resistore, un motore, ecc.). La tensione è una misura del potenziale elettrico tra due punti, quindi avere una tensione più alta consentirà un flusso di corrente più elevato, cioè il movimento di più elettroni attraverso un punto al secondo.

Velocità dell'elettrone

Naturalmente, la velocità nota a digiuno è la velocità della luce: 3 * 10 ^ 8 m / s. Tuttavia, gli elettroni in genere non si spostano da nessuna parte vicino a questa velocità. In effetti, saresti sorpreso di sapere quanto lentamente si muovono effettivamente.

La velocità effettiva dell'elettrone è nota come velocità di deriva . Quando una corrente scorre, gli elettroni in realtà non si muovono in linea retta attraverso un filo, ma in qualche modo oscillano attraverso gli atomi. La velocità media effettiva del flusso di elettroni è proporzionale alla corrente usando la seguente formula:

v = I / (nAq) = corrente / (densità del vettore * area della sezione trasversale del vettore * tariffa del gestore)

Questo esempio è tratto da Wikepedia , perché non volevo cercare i numeri da solo ...

Considera una corrente di 3A che fluisce attraverso un filo di rame di 1 mm di diametro. Il rame ha una densità di 8,5 * 10 ^ 25 elettroni / m ^ 3 e la carica di un elettrone è -1,6 * 10 ^ (- 19) Coulomb. Il filo ha una sezione trasversale di 7,85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2. Quindi, la velocità di deriva sarebbe:

v = (3 Coulombs / s) / (8.5 * 10 ^ 25 elettroni / m ^ 3 * 7.85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2 * -1.6 * 10 ^ (- 19) Coulomb)

v = -0.00028 m / s

Notare la velocità negativa, il che implica che la corrente fluisce effettivamente nella direzione opposta tipicamente pensata. A parte questo, l'unica cosa da notare è quanto sia lento. Una corrente di 3 amp non è così piccola e il filo di rame è un conduttore eccellente! In realtà, maggiore è la resistenza nel portatore di carica, maggiore sarà la velocità. Questo è simile al modo in cui impostazioni diverse su un soffione faranno uscire la stessa pressione di acqua dal rubinetto a velocità diverse. Più piccolo è il buco, più veloce deve uscire l'acqua!

Dare un senso a questo

Se gli elettroni si muovono così lentamente, come è possibile trasmettere i dati così rapidamente? O addirittura, come può un interruttore della luce controllare istantaneamente una luce da così lontano? Questo perché non esiste un singolo elettrone che deve fluire da un punto all'altro del circuito per far funzionare qualsiasi cosa. In realtà, ci sono molti elettroni liberi (la quantità dipende dalla composizione elementare del materiale portante) in ogni punto del circuito in ogni momento che si muovono non appena viene applicato un potenziale (tensione) abbastanza grande.

Pensa all'acqua in una pipa. Se non c'è acqua nel tubo per cominciare, ci vorrà del tempo prima che l'acqua raggiunga il rubinetto quando viene attivato un beccuccio. Tuttavia, in una casa, dovrebbe già esserci acqua in ogni punto del tubo, quindi l'acqua scorre fuori dal rubinetto non appena viene aperta. Non deve viaggiare dalla sorgente d'acqua al rubinetto perché è già nel tubo, sta solo aspettando il potenziale per spingerlo attraverso. È lo stesso con un filo: ci sono già così tanti elettroni nel filo, che aspettano solo di essere spinti dalla presenza del potenziale di tensione. La velocità che ci vorrebbe per un elettrone di spostarsi da un punto del filo all'altro è completamente irrilevante.

D'altra parte, la velocità di trasmissione dei dati attraverso un mezzo fisico è importante e ha un massimo teorico, come discusso in questa meravigliosa domanda e risposte, quindi non entrerò qui.

Gli elettroni ti stanno fuorviando. Ignorali. Vanno nella direzione sbagliata, comunque. Le persone adorano costruire piccoli modelli animati che mostrino loro di muoversi - il che è vero, e osservare che la comunicazione elettronica è quasi istantanea - vero, e concludere che gli elettroni si muovono quasi istantaneamente - il che è falso.

1. Quanto velocemente scorre l'elettricità?

   Esistono due possibili interpretazioni: "quanto velocemente si muovono gli elettroni?" e "quanto velocemente viaggia un segnale elettronico?"

   Kurt ha già risposto "quanto velocemente si muovono gli elettroni?" con velocità di deriva . Tuttavia, i segnali elettronici sono definiti dall'onda elettromagnetica che si propaga attraverso il materiale con l'assistenza dei portatori di carica. Il segnale si propaga a una frazione della velocità della luce, influenzata dalle proprietà della linea di trasmissione .

   Ciò impone limiti reali ai sistemi ad alta velocità. In pratica ci vuole circa un nanosecondo perché un segnale si propaghi lungo 30 cm di PCB. Di conseguenza esiste una latenza minima tra le parti di un computer.

   L'induttanza e la capacità della linea limitano quanto "tagliente" puoi creare un bordo e inviarlo lungo una linea. Verrà spalmato verso una forma sinusoidale.

   Si noti che la quantità di dati che è possibile trasmettere attraverso un vettore è ancora diversa, regolata dal rapporto segnale / rumore. La velocità di propagazione determina la latenza minima, non la larghezza di banda.

2. La velocità di un elettrone è diversa nel dire una resistenza rispetto a un filo?

3. Importa?

   Dall'alto sappiamo che le risposte sono "sì" e "no", per le velocità degli elettroni.

   La velocità di propagazione dell'onda è influenzata dalla capacità, dall'induttanza e dalla costante dielettrica del materiale attraverso il quale si sta propagando e di eventuali isolanti vicini ai piani di massa. Pertanto un segnale si propaga a una velocità leggermente diversa attraverso un resistore rispetto a un filo, poiché è realizzato con un materiale diverso e si stacca dalla scheda.

4. O gli effetti dell'elettrone sono l'unica cosa importante, con bassi livelli di astrazione non utili nella pratica?

Il più delle volte, non devi preoccuparti degli elettroni. Vengono coinvolti direttamente in tubi a raggi catodici, schermi fluorescenti sotto vuoto e "valvole" termioniche.

Ciò vale anche per i semiconduttori, in cui la fisica è difficile e talvolta controintuitiva, ma la conoscenza di base su come utilizzare un transistor, un FET o un diodo in un circuito è molto più semplice.

Prendi in considerazione una linea di domino : spingi uno a questa estremità e il disturbo viaggia verso l'altro. Le velocità dei singoli pezzi e quella del disturbo o del fronte d'onda sono molto diverse e nessun singolo pezzo viaggia da qui a lì.

Esistono numerose idee vantaggiose

• Quanto velocemente si muovono gli elettroni?
• Quanto velocemente si spostano gli elettroni quando scorre una corrente?
• quanto velocemente un segnale si propaga lungo un filo di rame

Puoi collegarlo alla vecchia analogia water-in-pipe

• Le molecole di H2O oscillano sempre allo stato liquido (o qualsiasi stato sopra 0 Kelvin?)
• Anche le molecole di H2O in un tubo flessibile si spostano lentamente dal rubinetto all'ugello
• Quando si attiva il rubinetto, l'onda di pressione viaggia molto più velocemente della velocità di deriva.

Le risposte effettive per gli elettroni sono

• Non lo so, abbastanza veloce. 2 x 10 ^ 6 m / s? ( rif †)
• Un valore tipico potrebbe essere 1 metro all'ora.
• Una frazione della velocità della luce. ( rif ‡)

_{† Per un elettrone in un'orbita specifica, probabilmente molto diverso per gli elettroni "liberi" in rame :-).
‡ Per un segnale in salamoia, probabilmente molto diverso per il rame :-)}

Un altro aspetto di questo:

Prima che chiunque possa rispondere alla domanda OP, dobbiamo prima definire la parola "elettricità". Quando gli elettroni fluiscono, è un "flusso di elettricità"? No. E sì! Diversi libri di testo si contraddicono a vicenda. Non esiste una risposta semplice su cui gli esperti possano concordare.

La fisica afferma che la quantità di elettricità è definita come coulomb; come carica. (Vedi il Manuale CRC per esempio. O il NIST, o gli standard MKS SI per le unità fisiche.) Sotto questa definizione di "elettricità", diciamo che l'elettrone trasporta una piccola quantità di elettricità con sé mentre si muove. Nei metalli l'elettricità che scorre, la corrente elettrica, sono elettroni a deriva lenta.

Perché questo è un problema? Semplice: la maggior parte dei libri di testo non fisici non sono completamente d'accordo. Invece affermano che "elettricità" significa "flusso di elettroni" o corrente. Per loro, "l'elettricità" non sono le lampadine, ma è la portata; gli ampere. Per loro, ogni volta che il flusso si interrompe, "l'elettricità" è svanita.

Ma per i fisici, quando il flusso si interrompe, l'elettricità rimane immobile nei fili, poiché la densità dei portatori non cambia quando cambiano le ampere. Per i fisici, tutti i fili sono già pieni di elettricità; contenente sempre un "mare di elettroni;" i vettori mobili di tutti i metalli. Ma per i libri di testo non fisici, i fili sono come tubi vuoti in cui l '"elettricità" si avvicina alla velocità della luce.

Cos'è quindi l'elettricità? Gli standard di fisica (MKS, la convenzione sugli standard SI) definiscono chiaramente l'elettricità. Ma i nostri libri di scuola lo ignorano o fingono silenziosamente che gli standard di fisica possano essere cambiati come desiderato. Invece, i libri di testo scolastici concordano tutti nel definire l '"elettricità" in un modo molto diverso: non come quantità di cariche, ma come movimento fluente delle cariche.

Cos'è quindi l'elettricità? (O più facetiously, è l'elettricità ... il flusso dell'elettricità? E ogni volta che l'elettricità inizia a fluire, chiamiamo questo flusso con il nome "... elettricità?")

:)

Questa follia infetta persino il linguaggio ingegneristico. I fisici affermano che gli elettroni sono i portatori di carica nei metalli. Gli ingegneri invece li chiamano ... corrieri attuali? Sì. Controlla qualsiasi testo di ingegneria dell'università. I fisici conoscono la conservazione della carica. È una legge di base. Ma noi ingegneri veniamo a conoscenza di ... The Conservation of Current ?! Ci viene insegnato che la corrente è la "roba" che scorre attraverso i fili. I libri di testo EE sono pieni della frase "flusso di corrente" e raramente se mai menzionano la versione corretta "flusso di carica".

La soluzione tradizionale a tali problemi è ben nota: sviluppare standard e definire termini tecnici in modo restrittivo. Quindi attenersi attentamente a tali standard linguistici. Non usare definizioni popolari, ma utilizza esclusivamente una terminologia scientifica ristretta. Questo elimina tutta la nebbia, la BS e la confusione. Tuttavia, in questo caso ci sarebbe una battaglia in salita, poiché l'uso degli standard di fisica significherebbe che migliaia di libri di testo di scienze / elettronica / ingegneria non fisica e generazioni di esperti hanno torto in modo fondamentale. A causa del loro uso improprio costante della terminologia scientifica di base, molte generazioni di studenti ora non hanno idea di cosa sia realmente "l'elettricità", e quindi devono costantemente chiedersi se scorre lentamente insieme a Drift Velocity (il flusso di carica,

Più tagli alla BS: le correnti non scorrono, invece si propagano. Quando spingiamo un'estremità di un'asta, il movimento non scorre. Invece si propaga come un'onda. Stessa cosa con le correnti nei circuiti: flusso di cariche sì, ma propagazione delle onde delle correnti. La propagazione delle correnti vicino alla velocità della luce è la stessa cosa di un'onda EM.

E infine, poniti questa domanda di fondamentale importanza: nei fiumi e nei corsi d'acqua scorre "corrente"? O la roba è in realtà chiamata "acqua?"