Vad är hastigheten på elektron i en strömförande ledare?

Anonim

Några personer verkar ha, i en muddle av nästan identiska begrepp, blivit ledda att tro att elektroner i en dirigent reser i samma hastighet som ljuset. Tror du verkligen att om man samtidigt brände en laserstråle från jorden till en detektor på Mars och passera elektricitet via en multimillion meter lång ledning som förbinder ett batteri på jorden och en glödlampa på Mars, så skulle detektorn och glödlampan lyser upp samtidigt?

Ljus utstrålas av solen och elektronerna i en ledare med samma hastighet? (Bildkrediter: Pixabay.com)

Varför elektroner kan inte resa med ljusets hastighet

Elektronen kan inte vinna loppet i vakuum, än mindre inne i en ledare. Elektronen kan inte åka i samma hastighet som ljus av den enkla anledningen att den har massa. Ljus är det snabbaste i universum eftersom det är masslöst; Det bär med sig inget bagage och uppvisar absolut ingen tröghet som hindrar rörelsen.

Ljus är det snabbaste i universum eftersom det är masslöst. (Fotokredit: Pexels)

En elektronmassa kan vara skrattretande liten i storleksordning, men det räcker för att förhindra att partikeln färdas på 300 miljoner m / s. I själva verket försummar foton, för det är masslöst är elektronen inte ens den lättaste partikeln vi hittills har upptäckt; den här titeln hör till neutrino. En elektron är nästan 5, 00 000 gånger mer massiv än en neutrino.

Elektriska hastigheter

Hastigheten hos en enskild elektron är således sin hastighet mellan kollisionerna. Hur mycket tid tar en elektron att resa kanske en nanometer? Den individuella hastigheten mäts för att vara i storleksordningen miljoner meter per sekund. Men eftersom deras rörelse är slumpmässig, scammar varje elektron tillsammans med en annan hastighet.

Genomsnittlig eller drifthastighet

Vissa elektroner färdas extremt snabbt, medan andra inte gör det. Det är uppenbart att medeltalet blir mycket mindre än en miljon meter per sekund. Det som är häpnadsväckande är dock att medelvärdet av hastigheterna katapulerar decimalpunkten till vänster på ett avstånd som man inte ens skulle ha föreställt sig. Drifthastigheten hos elektroner genom en koppartråd med tvärsnittsarea 3, 00 x 10 -6 m 2, som bär en 10A ström, är ungefär 2, 5 x 10 -4 m / s, eller en fjärdedel av en millimeter per sekund!

Drifthastigheten ökar med en ökning i likspänning, men det förblir konstant med antingen en minskning eller ökning av växelspänningen

.

ständigt försumbar. Drifthastigheten för växelström är ett hundra till tusen gånger mindre än drifthastigheten för likström. Medan det var 250 mikrometer per sekund för ovannämnda koppartråd som hade en likström, skulle det vara 0, 25 mikrometer per sekund för samma tråd som bär en växelström.

Inte ens kontaktpunkten eller strömbrytaren genom vilken elektronerna flyr själv är längre än 0, 25 mikrometer. Kom ihåg att elektroner som utgör en växelströms ström, till skillnad från de som utgör en likström, inte rör sig linjärt framåt, utan istället växlar mellan terminalerna; Om de alternerar vid 0, 25 mikrometer per sekund, går de paradoxalt nog inte in i kretsen alls?

Signalhastighet

(Fotokredit: Pixabay)

Det är sant att elektromagnetiska vågor sprider sig vid ljusets hastighet; I själva verket är ljuset själv en elektromagnetisk våg. Emellertid varierar hastigheten hos en elektromagnetisk våg med egenskaperna hos mediet i vilket det färdas. Vågorna elektronerna strålar ut med 300 miljoner meter per sekund i vakuum, men de skulle bara åka i samma hastighet i en ledare om dess struktur eller geometri tillåter.

Vågorna, eller vad som kallas signalen, kan resa någonstans mellan 50% -90% ljusets hastighet beroende på huruvida elektronerna rör sig i en "dålig" eller "bra" ledare. Om elektronerna bokstavligen drifter för att slutföra en krets, glöder lampan i ditt sovrum nästan omedelbart? Tja, för att effekten av de elektromagnetiska vågorna eller signalen sprider sig, inte vid ljusets hastighet, men med en hastighet som är tillräckligt stor för att uppfatta den så effektivt momentan. Av denna anledning kan tävlingen inte sluta i slips heller; foton kommer alltid att bli segrande.

Tänk på det så här: bild en kö av skamlöst otåliga människor som ängsligt fidget i sina fläckar. Plötsligt bestämmer den sista personen i köen att man trycker personen framför, som följaktligen driver den framför henne och så vidare. Tryck eller signalen "färdas" omedelbart, men personen eller elektronen själv gör det inte. Om folket hade köat för att komma in i en dörr, skulle det förökade trycket uppenbarligen nå dörren först. Den första pusheren skulle emellertid fortfarande vara mycket längre efter. Folket skulle fortsätta att oroa sig, bara hur de enskilda elektronerna zip ihop vid enorma hastigheter. Könen i genomsnitt går emellertid framåt i en tråkig takt.