Jak szybko płynie prąd?

Od czasu do czasu mylę się z fizyką niskiego poziomu elektryczności. Pojawiło się w „W jaki sposób energia elektryczna zasila obwód ” i nie rozumiem tego całkowicie.

Jak szybko płynie prąd? Czy prędkość elektronu różni się, powiedzmy, rezystorem niż w drucie? Czy to ma znaczenie? Czy też wpływ elektronu jest jedyną ważną rzeczą, a niższe poziomy abstrakcji nie są przydatne w praktyce?

Wiem, że są już materiały na ten temat i przeczytałem niektóre z nich. Myślę, że pytanie na tej stronie może zainspirować kilka interesujących odpowiedzi na odwieczne pytanie.

Punkty bonusowe za:

• Identyfikowanie i usuwanie typowych nieporozumień
• Wyjaśnienie w sposób zrozumiały dla osoby z dyplomem ukończenia szkoły średniej, bez nadmiernego uproszczenia jej do tego stopnia, że ​​jest to nieprawidłowe

Jak szybko płynie prąd? To dobre pytanie, ponieważ wydaje się dość proste, ale zwykle wskazuje na pewne podstawowe nieporozumienia. Pierwszą trudnością w udzieleniu odpowiedzi na pytanie jest wiedza, czym jest elektryczność? Czy masz na myśli:

1. Jak szybko rozprzestrzeniają się zmiany w polach elektrycznych? lub...
2. Jak szybko poruszają się nośniki ładunku elektrycznego?

Zwykle ludzie zadający to pytanie faktycznie dbają o to pierwsze, ale myślą o drugim. Jednakże, nie mając jasnego zrozumienia różnicy, ich podstawowej troski w rzeczywistości nie można rozwiązać bez cofnięcia się i wyeliminowania leżących u podstaw nieporozumień, które prowadzą do pytania.

Zrozumcie to: istnieją siły i są rzeczy, które przenoszą siły, i to nie jest to samo. Oto przykład: trzymam jeden koniec liny, a ty trzymasz drugi koniec. Kiedy chcę zwrócić twoją uwagę, pociągam linę. Jest lina i holownik. Holownik porusza się jako fala siły w dół po linie z prędkością dźwięku w linie. Sama lina porusza się z inną prędkością.

Powiedzmy, że mam dwie wieże widokowe, a kiedy widzę zbliżających się najeźdźców, krzyczę do drugiej wieży. Dźwięk będzie przemieszczał się jak fale w powietrzu z prędkością dźwięku. Jak szybko poruszają się cząsteczki w powietrzu? Czy ci zależy?

Niektórzy ludzie nie pozwolą temu odejść, dopóki ruch cząsteczek nie zostanie wyjaśniony, nawet jeśli zwykle nie ma to związku z ich obawami. Oto odpowiedź: cząsteczki cały czas krążą we wszystkich losowych kierunkach. Latają, ponieważ mają niezerową temperaturę. Niektóre są bardzo szybkie. Niektóre są bardzo wolne. Cały czas się ze sobą zderzają. To bardzo losowe.

Kiedy krzyczysz, twój układ głosowy kompresuje się (i rzadko, gdy wibrują struny głosowe) trochę powietrza. Cząsteczki w tym skompresowanym regionie chcą przenieść się do regionu o mniejszym ciśnieniu, więc tak robią. Ale teraz ten pobliski region ma za dużo powietrza i jest nieco bardziej skompresowany niż powietrze wokół niego, więc skompresowany region rozszerza się nieco na zewnątrz. Ta fala kompresji porusza się w powietrzu z prędkością dźwięku.

Wszystko to dzieje się nałożone na przypadkowy ruch wspomnianych wcześniej cząsteczek. Jest mało prawdopodobne, że te same cząsteczki, które znajdowały się w twoim układzie głosowym, będą tymi, które wibrują w uchu słuchacza. Jeśli będziesz obserwował poszczególne cząsteczki, zobaczysz, jak poruszają się we wszystkich kierunkach. Tylko jeśli zaobserwujesz wiele z nich, zauważysz, że nieco więcej poszło w jedną stronę w drugą stronę. Prawdą jest, że dla wszystkich rzeczy, które nazwalibyśmy „dźwiękiem”, losowy ruch cząsteczek spowodowany hałasem termicznym jest znacznie większy niż ich ruch spowodowany dźwiękiem. Kiedy „dźwięk” staje się bardziej odpowiednim ruchem, zwykle nazywamy go nie „dźwiękiem”, ale raczej „eksplozją”.

Sytuacja z elektrycznością nie różni się zbytnio. Metalowy przewodnik jest pełen elektronów, które swobodnie wędrują po całym obwodzie w losowych kierunkach i robią to po prostu dlatego, że są ciepłe. Rzeczy w naszych obwodach wytwarzają fale w tym morzu elektronów i fale te rozprzestrzeniają się z prędkością światła ¹ . Przy prądach, które zwykle spotykamy w obwodach, większość ruchu elektronów jest spowodowana szumem termicznym.

Teraz możemy odpowiedzieć na pytania:

Jak szybko rozprzestrzeniają się zmiany w polach elektrycznych? Z prędkością światła w ośrodku, w którym się rozmnażają. W przypadku większości kabli jest to około 60% do 90% prędkości światła w próżni.

Jak szybko poruszają się nośniki ładunku elektrycznego? Prędkości poszczególnych nośników ładunku są losowe. Jeśli weźmiesz średnią z tych wszystkich prędkości, możesz uzyskać pewną prędkość, która zależy od gęstości nośnika ładunku, prądu i pola przekroju przewodu, i zwykle jest mniejsza niż kilka milimetrów na sekundę w drucie miedzianym. Co więcej, straty rezystancyjne stają się wysokie w zwykłych metalach, a ludzie mają tendencję do powiększania drutów zamiast zmuszania ładunków do szybszego przemieszczania się.

Dalsza lektura: Prędkość przepływu prądu przez Billa Beaty'ego

^{1: Prędkość światła zależy od materiału, w którym światło się rozchodzi, tak jak w przypadku dźwięku. Zobacz Prędkość propagacji fali .}

To naprawdę bardziej pytanie fizyki niż elektroniki ... Powodem jest to, że inżynierowie elektrycy i elektronicy rzadko (jeśli w ogóle) rozważają takie obliczenia subatomowe. Fakt, że elektrony w ogóle się poruszają, naprawdę się liczy, jak szybko się poruszają, nie ma to większego znaczenia dla obwodu. Przydatne dla inżyniera może być wiedza o tym, jak szybko potencjał elektryczny (napięcie) może się zmieniać, ponieważ to decyduje o maksymalnej transmisji danych na drucie (prędkości drutu), która jest związana z rezystancją, pojemnością i indukcyjnością nośnika ładunku, między innymi. Jest to również związane z prędkością propagacji fali omówioną w niektórych innych odpowiedziach. To dwie zupełnie różne kwestie ...

Przegląd energii elektrycznej

Na początek „prąd” nie płynie. Elektryczność jest fizyczną manifestacją przepływu ładunku elektrycznego. Chociaż termin ten dotyczy szerokiego spektrum zjawisk, najczęściej wiąże się z ruchem (wzbudzeniem) elektronów - ujemnie naładowanych cząstek subatomowych. Kiedy pewne elementy są złożone, elektrony mogą swobodnie przemieszczać się przez najbardziej zewnętrzną warstwę chmury elektronów od jednego atomu do drugiego. Przewodnik łatwo umożliwia przepływ elektronów, a izolator ogranicza go. Półprzewodniki (takie jak krzem) mają kontrolowane przewodnictwo, co czyni je idealnymi do zastosowania w nowoczesnej elektronice.

Jak zapewne wiesz, prąd elektryczny mierzy się w amperach (amperach). Jest to tak naprawdę pomiar liczby elektronów poruszających się w jednym punkcie w ciągu jednej sekundy:

1 Amp = 1 Kulomb na sekundę = 6.241509324x10 ^ 18 Elektronów na sekundę

Dopóki na przewodniku obecne jest napięcie (potencjał), prąd (drut, rezystor, silnik itp.) Będzie płynął. Napięcie jest pomiarem potencjału elektrycznego między dwoma punktami, więc posiadanie wyższego napięcia pozwoli na większy przepływ prądu, to znaczy ruch większej liczby elektronów przez punkt na sekundę.

Prędkość elektronowa

Oczywiście znana prędkość na czczo to prędkość światła: 3 * 10 ^ 8 m / s. Jednak elektrony zwykle nie poruszają się w pobliżu tej prędkości. W rzeczywistości byłbyś zaskoczony, wiedząc, jak powoli się poruszają.

Rzeczywista prędkość elektronu jest znana jako prędkość dryfu . Kiedy płynie prąd, elektrony tak naprawdę nie poruszają się po linii prostej przez drut, ale jakby drgają wokół atomów. Rzeczywista średnia prędkość przepływu elektronów jest proporcjonalna do prądu przy użyciu następującego wzoru:

v = I / (nAq) = prąd / (gęstość nośna * pole przekroju nośnego * ładunek nośny)

Ten przykład pochodzi z Wikepedia , ponieważ nie chciałem sam sprawdzać liczb ...

Weź pod uwagę prąd 3A przepływający przez drut miedziany o średnicy 1 mm. Miedź ma gęstość 8,5 * 10 ^ 25 elektronów / m ^ 3, a ładunek jednego elektronu wynosi -1,6 * 10 ^ (- 19) kulombów. Drut ma pole przekroju 7,85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2. Dlatego prędkość dryfu wynosiłaby:

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

v = -0 00028 m / s

Zwróć uwagę na prędkość ujemną, co oznacza, że ​​prąd faktycznie płynie w przeciwnym kierunku, jak zwykle myśli się. Poza tym jedyne, co można zauważyć, to to, jak powolne jest to rzeczywiście. Prąd 3 amperów nie jest tak mały, a drut miedziany jest doskonałym przewodnikiem! W rzeczywistości im wyższy opór w nośniku ładunku, tym większa będzie prędkość. Jest to podobne do tego, w jaki sposób różne ustawienia głowicy prysznicowej powodują, że z różną prędkością wypływa to samo ciśnienie wody z kranu. Im mniejsza jest dziura, tym szybciej woda musi wypłynąć!

Zrozumieć to

Jeśli elektrony poruszają się tak wolno, to jak można tak szybko przesyłać dane? Lub nawet, w jaki sposób przełącznik światła może sterować światłem natychmiastowo z tak dużej odległości? Jest tak, ponieważ nie ma ani jednego elektronu, który musiałby przepływać z jednego punktu obwodu do drugiego, aby cokolwiek zadziałało. W rzeczywistości istnieje wiele wolnych elektronów (ich ilość zależy od składu elementarnego materiału nośnika) w każdym punkcie obwodu, który porusza się, gdy tylko zostanie przyłożony wystarczająco duży potencjał (napięcie).

Pomyśl o wodzie w fajce. Jeśli na początku nie ma wody w rurze, upłynie trochę czasu, zanim woda dotrze do kranu, gdy wylewka jest włączona. Jednak w domu powinna już być woda w każdym punkcie rury, aby woda wypływała z kranu, gdy tylko zostanie włączona. Nie musi podróżować od źródła wody do kranu, ponieważ jest już w rurze, tylko czeka na potencjał do przepchnięcia. Podobnie jest z drutem: w przewodzie jest już tak wiele elektronów, które tylko czekają na przepchnięcie przez obecność potencjału napięcia. Szybkość przemieszczania się jednego elektronu z jednego punktu drutu do drugiego jest całkowicie nieistotna.

Z drugiej strony prędkość transmisji danych przez medium fizyczne jest ważna i ma teoretyczne maksimum, jak omówiono w tym cudownym pytaniu i odpowiedziach, więc nie będę się tutaj zajmował.

Elektrony wprowadzają cię w błąd. Ignoruj ​​ich. W każdym razie idą w złym kierunku. Ludzie uwielbiają budować małe animowane modele, które pokazują im poruszanie się - co jest prawdą, i obserwują, że komunikacja elektroniczna jest prawie natychmiastowa - prawda, i stwierdzają, że elektrony poruszają się niemal natychmiastowo - co jest fałszywe.

1. Jak szybko płynie prąd?

   Istnieją dwie możliwe interpretacje: „jak szybko poruszają się elektrony?” oraz „jak szybko przemieszcza się sygnał elektroniczny?”

   Kurt już odpowiedział: „jak szybko poruszają się elektrony?” z prędkością dryfu . Jednak sygnały elektroniczne są definiowane przez falę elektromagnetyczną propagującą się przez materiał za pomocą nośników ładunku. Sygnał rozchodzi się z ułamkiem prędkości światła, na co wpływ mają właściwości linii przesyłowej .

   Nakłada to rzeczywiste ograniczenia na systemy o dużej prędkości. W praktyce sygnał potrzebuje około nanosekundy, aby sygnał rozchodził się wzdłuż 30 cm PCB. W rezultacie występuje minimalne opóźnienie między częściami komputera.

   Indukcyjność i pojemność linii ograniczają, jak „ostry” można zrobić krawędź i wysłać ją wzdłuż linii. Zostanie rozmazany w kierunku sinusoidy.

   Należy pamiętać, że ilość danych, które można przesłać przez operatora, jest wciąż inna, zależna od stosunku sygnału do szumu. Szybkość propagacji określa minimalne opóźnienie, a nie przepustowość.

2. Czy prędkość elektronu różni się, powiedzmy, rezystorem niż w drucie?

3. Czy to ma znaczenie?

   Z góry wiemy, że odpowiedzi brzmią „tak” i „nie” dla prędkości elektronów.

   Na prędkość propagacji fali ma wpływ pojemność, indukcyjność i stała dielektryczna zarówno propagowanego materiału, jak i pobliskich izolatorów do płaszczyzn uziemienia. Dlatego sygnał będzie rozchodził się z bardzo nieznacznie inną prędkością przez rezystor niż drut, ponieważ jest wykonany z innego materiału i odstaje od płyty.

4. Czy też wpływ elektronu jest jedyną ważną rzeczą, a niższe poziomy abstrakcji nie są przydatne w praktyce?

Przez większość czasu nie musisz się martwić o elektrony. Angażują się bezpośrednio w lampy katodowe, próżniowe wyświetlacze fluorescencyjne i termionowe „zawory”.

Dotyczy to również półprzewodników, w których fizyka jest trudna, a czasem sprzeczna z intuicją, ale podstawowa wiedza na temat używania tranzystora, tranzystora polowego lub diody w obwodzie jest znacznie prostsza.

Zastanów się nad linią domina - przesuń jedną na tym końcu, a zakłócenia przejdą na drugi. Prędkości poszczególnych elementów i zakłóceń lub czoła fali są bardzo różne i żadne pojedyncze elementy nie przemieszczają się stąd.

Istnieje wiele pomysłów, które są relatywne

• Jak szybko poruszają się elektrony?
• Jak szybko elektrony dryfują, gdy płynie prąd?
• jak szybko sygnał rozchodzi się wzdłuż drutu miedzianego

Możesz to odnieść do starej analogii typu woda w rurach

• Cząsteczki H2O zawsze poruszają się w stanie ciekłym (lub w jakimkolwiek stanie powyżej 0 kelwinów?)
• Cząsteczki H2O w rurze wężowej również powoli dryfują od kranu do dyszy
• Po włączeniu kranu fala ciśnienia przemieszcza się znacznie szybciej niż prędkość dryfu.

Rzeczywiste odpowiedzi dla elektronów są

• Nie wiem, dość szybko. 2 x 10 ^ 6 m / s? ( ref †)
• Typowa wartość może wynosić 1 metr na godzinę.
• Ułamek prędkości światła. ( ref ‡)

_{† W przypadku elektronu na określonej orbicie, prawdopodobnie jest on zupełnie inny w przypadku „wolnych” elektronów w miedzi :-).
‡ W przypadku sygnału w solance, prawdopodobnie bardzo różny dla miedzi :-)}

Kolejny aspekt tego:

Zanim ktokolwiek będzie mógł odpowiedzieć na pytanie OP, najpierw musimy zdefiniować słowo „Elektryczność”. Kiedy przepływają elektrony, czy jest to „przepływ energii elektrycznej”? Nie i tak! Różne podręczniki są ze sobą sprzeczne. Nie ma prostej odpowiedzi, na którą eksperci mogliby się zgodzić.

Fizyka mówi, że ilość energii elektrycznej jest zdefiniowana jako kulomb; jako ładunek. (Zobacz na przykład Podręcznik CRC. Lub normy NIST lub MKS SI dla jednostek fizyki.) Zgodnie z tą definicją „elektryczności” powiedzielibyśmy, że elektron przenosi ze sobą niewielką ilość elektryczności podczas ruchu. W metalach przepływająca elektryczność, prąd elektryczny, jest powolnie dryfującymi elektronami.

Dlaczego to jest problem? Proste: większość podręczników niefizycznych całkowicie się nie zgadza. Zamiast tego stwierdzają, że „elektryczność” oznacza „przepływ elektronów” lub prąd. Dla nich „elektryczność” nie jest kulombami, lecz natężeniem przepływu; amperów. Dla nich, ilekroć przepływ się zatrzyma, „elektryczność” zanika.

Ale dla fizyków, gdy przepływ zatrzymuje się, elektryczność pozostaje nieruchoma w drutach, ponieważ gęstość nośników nie zmienia się, gdy zmieniają się ampery. Dla fizyków wszystkie druty są już pełne energii elektrycznej; zawsze zawierające „morze elektronów”; mobilni przewoźnicy wszystkich metali. Ale w podręcznikach niefizycznych druty są jak puste rury, w których „elektryczność” zbliża się z prędkością zbliżoną do prędkości światła.

Czym zatem jest energia elektryczna? Standardy fizyki (MKS, konwencja norm SI) jasno definiują elektryczność. Ale nasze podręczniki szkolne ignorują to lub po cichu udają, że standardy fizyki mogą być zmieniane według potrzeb. Zamiast tego wszystkie podręczniki szkolne zgadzają się definiować „elektryczność” w zupełnie inny sposób: nie jako ilość ładunków, ale jako płynny ruch ładunków.

Czym zatem jest energia elektryczna? (Lub bardziej żartobliwie, czy elektryczność ... przepływ elektryczności? I ilekroć elektryczność zaczyna płynąć, czy nazywamy ten przepływ nazwą „... elektryczność?”)

:)

To szaleństwo zaraża nawet język inżynierii. Fizycy twierdzą, że elektrony są nośnikami ładunku w metalach. Zamiast tego inżynierowie nazywają ich ... obecnymi przewoźnikami? Tak. Sprawdź dowolny tekst inżynierii uniwersyteckiej. Fizycy wiedzą o zachowaniu ładunku. To podstawowe prawo. Ale my, inżynierowie, dowiadujemy się o ... Zachowaniu prądu ?! Uczono nas, że prąd jest „rzeczą” przepływającą przez przewody. Podręczniki EE obfitują w zwrot „przepływ prądu” i rzadko, jeśli w ogóle, wspominają o poprawnej wersji, „przepływie ładunku”.

Tradycyjne rozwiązanie takich problemów jest dobrze znane: opracuj standardy i zawęż wąskie terminy techniczne. Następnie dokładnie przestrzegaj tych standardów językowych. Nie używaj popularnych definicji, zamiast tego używaj wyłącznie wąskiej terminologii naukowej. To przecina całą mgłę, BS i zamieszanie. Jednak w tym przypadku doszłoby do bitwy pod górę, ponieważ stosowanie standardów fizyki oznaczałoby, że tysiące podręczników niefizycznych dotyczących nauki / elektroniki / inżynierów i pokolenia ekspertów są w błędzie w fundamentalny sposób. Z powodu ciągłego niewłaściwego wykorzystywania podstawowej terminologii naukowej wiele pokoleń studentów nie ma pojęcia, czym tak naprawdę jest „elektryczność”, dlatego musi stale pytać, czy płynie ona powoli wraz z prędkością dryfu (przepływ ładunku,

Więcej cięcia BS: prądy nie płyną, zamiast tego się rozprzestrzeniają. Kiedy popychamy jeden koniec pręta, ruch nie płynie. Zamiast tego propaguje się jako fala. To samo dotyczy prądów w obwodach: przepływ ładunków tak, ale propagacja fal prądów. Propagacja prądów w pobliżu prędkości światła jest tym samym, co fala elektromagnetyczna.

I wreszcie zadaj sobie to niezwykle ważne pytanie: czy w rzekach i potokach płynie „prąd”? A może rzeczy nazywane są „wodą”?