Як швидко тече електроенергія?

Мені час від часу заплутується фізика електрики низького рівня. Він з'явився в " Яким чином електроенергія живить ланцюг ", і я не цілком її розумію.

Як швидко тече електроенергія? Чи швидкість електрона в скажімо резисторі різна, ніж у дроті? Це важливо? Або ефекти електрона - єдине важливе, а нижчі рівні абстракції не корисні на практиці?

Я знаю, що вже є матеріали на цю тему, і я прочитав деякі з них. Я думаю, що запитання на цьому веб-сайті може надихнути на цікаві відповіді на вікове запитання.

Бонусні бали за:

• Виявлення та усунення поширених помилок
• Пояснення таким чином, щоб хтось із дипломом середньої школи міг зрозуміти, не надто спрощуючи це настільки, що його неправильне

Як швидко тече електроенергія? Це гарне запитання, оскільки це здається досить простим питанням, але зазвичай воно вказує на деякі основні помилки. Перша складність у відповіді на питання - це знати, що таке електроенергія? Ти маєш на увазі:

1. Як швидко поширюються зміни в електричних полях? або ...
2. Як швидко рухаються електричні носії заряду?

Зазвичай люди, які задають це питання, насправді хвилюють перше, але замислюються над останнім. Однак, не маючи чіткого розуміння різниці, їх основну проблему насправді неможливо вирішити, не відступаючи та не звертаючись до основних помилок, які призводять до питання.

Зрозумійте, це так: є сили, і є речі, які передають сили, і вони не одне і те ж. Ось приклад: я тримаю один кінець мотузки, а ви тримаєте інший кінець. Коли я хочу привернути вашу увагу, я затягую мотузку. Є мотузка, і є буксир. Буксир рухається як хвиля сили вниз по мотузці зі швидкістю звуку в мотузці. Сама мотузка буде рухатися з якоюсь іншою швидкістю.

Скажіть, у мене дві оглядові вежі, і коли я бачу наближаються окупантів, я кричу на іншу вежу. Звук буде рухатися як хвилі в повітрі зі швидкістю звуку. З якою швидкістю рухаються молекули у повітрі? Вам все одно?

Деякі люди не відмовляться від цього, поки рух молекул не буде пояснено фактично, хоча це зазвичай не стосується їх проблем. Тож ось відповідь: молекули літають навколо у всіх випадкових напрямках, весь час. Вони літають навколо, бо мають ненульову температуру. Деякі дуже швидкі. Деякі дуже повільні. Вони весь час натикаються один на одного. Це дуже випадково.

Коли ви кричите, ваш голосовий тракт стискає (і розріджує, коли ваші голосові зв’язки вібрують) частину повітря. Молекули в цій стисненій області хочуть перейти до області з меншим тиском, так вони і роблять. Але зараз цей сусідній регіон має занадто багато повітря і він трохи більш стислий, ніж повітря навколо нього, тому стиснута область розширюється назовні трохи більше. Ця хвиля стиснення рухається по повітрю зі швидкістю звуку.

Все це відбувається, накладаючись на випадковий рух молекул, згаданих раніше. Навряд чи ті самі молекули, які були у вашому голосовому тракті, будуть ті, що вібрують у вусі слухача. Якщо ви спостерігаєте за окремими молекулами, ви будете спостерігати їх за всіма напрямками. Тільки якщо ви спостерігаєте їх багато, ви помітите, що трохи більше пішло в одному напрямку проти іншого. Правда, для всіх речей, які ми би назвали «звуком», що випадковий рух молекул через теплового шуму набагато більше, ніж їх рух через звук. Коли "звук" стає більш релевантним рухом, ми схильні називати його не "звуком", а скоріше "вибухом".

Ситуація з електроенергією не сильно відрізняється. Металевий провідник сповнений електронів, які вільно блукають по всьому ланцюгу у випадкових напрямках, і це роблять просто тому, що вони теплі. Речі в наших ланцюгах створюють хвилі в цьому морі електронів, і ці хвилі поширюються зі швидкістю світла ¹ . У струмах, які ми зазвичай зустрічаємо в ланцюгах, більша частина руху електронів відбувається через тепловий шум.

Тож тепер ми можемо відповісти на запитання:

Як швидко поширюються зміни в електричних полях? Зі швидкістю світла в середовищі, в якому вони поширюються. Для більшості кабелів це близько 60-90% швидкості світла у вакуумі.

Як швидко рухаються електричні носії заряду? Швидкості окремих носіїв заряду випадкові. Якщо взяти середню серед усіх цих швидкостей, ви можете отримати деяку швидкість, яка залежить від щільності носія заряду, струму та площі поперечного перерізу провідника, і це, як правило, менше декількох міліметрів в секунду в мідному дроті. Крім того, втрати на опір стають високими у звичайних металах, і люди, як правило, збільшують провід, а не змушують заряди рухатися швидше.

Подальше читання: Швидкість потоку електроенергії Білла Біті

^{1: Швидкість світла залежить від матеріалу, в якому світло поширюється, як і у звуку. Див. Швидкість поширення хвилі .}

Це насправді більше питання фізики, ніж питання електроніки ... Причиною того, що інженери-електрики та електроніки рідко (якщо і взагалі) розглядають такі субатомні розрахунки. Те, що електрони взагалі рухаються - це те, що насправді має значення, те, наскільки швидко вони рухаються, є мало наслідком для ланцюга. Що може бути корисно інженеру - це знати, наскільки швидко може змінитися електричний потенціал (напруга), оскільки це вирішить максимальну передачу даних по дроту (швидкість дроту), яка пов'язана з опором, ємністю та індуктивністю носія заряду, між іншим. Це також пов'язано зі швидкістю поширення хвилі, про яку йдеться в деяких інших відповідях. Це два абсолютно різні питання ...

Огляд електроенергії

Для початку "електрика" не тече. Електричність - це фізичний прояв потоку електричного заряду. Хоча цей термін стосується широкого спектру явищ, він, як правило, пов'язаний з рухом (збудженням) електронів - негативно заряджених субатомних частинок. Коли певні елементи складаються, електрони можуть вільно переміщатися через найвіддаленіший шар електронної хмари від одного атома до іншого. Провідник легко дозволяє протікати електрони, тоді як ізолятор обмежує його. Напівпровідники (як кремній) мають керовану провідність, що робить їх ідеальними для використання в сучасній електроніці.

Як ви можете знати, електричний струм вимірюється в амперах (амперах). Це дійсно вимірювання кількості електронів, що рухаються через одну точку за одну секунду:

1 Амп = 1 Кулон в секунду = 6,241509324x10 ^ 18 Електронів в секунду

Поки в провіднику присутній напруга (потенціал) (провід, резистор, двигун тощо) буде текти струм. Напруга - це вимірювання електричного потенціалу між двома точками, тому наявність більш високої напруги дозволить забезпечити більший потік струму, тобто рух більшої кількості електронів через точку в секунду.

Швидкість електронів

Звичайно, відома швидкість голодування - це швидкість світла: 3 * 10 ^ 8 м / с. Однак, як правило, електрони не рухаються ніде поблизу цієї швидкості. Насправді ви здивуєтеся, дізнавшись, як повільно вони насправді рухаються.

Фактична швидкість електрона відома як швидкість дрейфу . Коли струм тече, електрони насправді не рухаються по прямій лінії, хоч дріт, а свого роду просуваються навколо атомів. Фактична середня швидкість потоку електрона пропорційна струму, використовуючи наступну формулу:

v = I / (nAq) = струм / (щільність носія * площа поперечного перерізу несучої * заряд носія)

Цей приклад взятий з Вікіпедії , тому що я не хотів шукати самі цифри ...

Розглянемо струм 3А, що протікає через мідний дріт діаметром 1 мм. Мідь має щільність 8,5 * 10 ^ 25 електронів / м ^ 3, а заряд одного електрона -1,6 * 10 ^ (- 19) куломів. Дріт має площу поперечного перерізу 7,85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2. Отже, швидкість дрейфу буде такою:

v = (3 кулони / с) / (8,5 * 10 ^ 25 електронів / м ^ 3 * 7,85 * 10 ^ (- 7) м ^ 2 * -1,6 * 10 ^ (- 19) кулонів)

v = -0.00028 м / с

Зауважте негативну швидкість, маючи на увазі, що струм насправді тече в зворотному напрямку, як правило, вважається. Крім цього, єдине, що слід помітити, - наскільки це насправді повільно. Струм потужністю 3 ампер не такий вже й малий, а мідний дріт - відмінний провідник! Власне, чим більший опір у носії заряду, тим швидше буде швидкість. Це схоже на те, як різні налаштування душової головки будуть викликати однаковий тиск води з крана з різною швидкістю. Чим менше отвір, тим швидше повинна виходити вода!

Зрозуміти це

Якщо електрони рухаються так повільно, то як можна так швидко передавати дані? Або навіть, як перемикач світла може миттєво керувати світлом так далеко? Це тому, що не існує жодного електрона, який повинен перетікати з однієї точки ланцюга в іншу, щоб усе працювало. Власне, у кожній точці ланцюга є багато вільних електронів (кількість залежить від елементарного складу несучого матеріалу), які рухаються, як тільки подається достатньо великий потенціал (напруга).

Подумайте про воду в трубі. Якщо в трубі немає води, для початку знадобиться деякий час, коли вода добереться до крана при включенні носика. Однак у будинку в кожній точці труби вже повинна бути вода, щоб вода витікала з крана, як тільки вона була включена. Не потрібно їздити від джерела води до крана, оскільки він уже знаходиться в трубі, просто чекаючи, коли потенціал його проштовхне. Так само і з дротом: у дроті вже так багато електронів, що лише чекають, що їх проштовхне наявність потенціалу напруги. Швидкість, яку потрібно, щоб один електрон перемістився з однієї точки в дроті до іншої, абсолютно не має значення.

З іншого боку, швидкість передачі даних через фізичний носій є важливою і має теоретичний максимум, про що йдеться в цьому чудовому запитанні та відповідях, тому я тут не вникаю в це.

Електрони вас вводять в оману. Ігноруйте їх. Вони все одно йдуть у неправильному напрямку. Люди люблять будувати маленькі анімовані моделі, які показують, що вони рухаються - що правда, і зауважують, що електронний зв’язок майже миттєвий - правдивий, і роблять висновок, що електрони рухаються майже миттєво - що хибно.

1. Як швидко тече електроенергія?

   Можливі дві інтерпретації: "як швидко рухаються електрони?" і "як швидко рухається електронний сигнал?"

   Курт уже відповів "як швидко рухаються електрони?" зі швидкістю дрейфу . Однак електронні сигнали визначаються електромагнітною хвилею, що поширюється через матеріал за допомогою носіїв заряду. Сигнал поширюється з деякою часткою швидкості світла, під впливом властивостей лінії електропередачі .

   Це накладає реальні обмеження на високошвидкісні системи. На практиці потрібно близько наносекунди, щоб сигнал поширювався вздовж 30 см друкованої плати. Як результат, мінімальна затримка між частинами комп'ютера.

   Індуктивність і ємність лінії обмежують, наскільки "різкими" ви можете зробити кромку і направити її вниз по лінії. Він вимажеться до синусоїдної форми.

   Зауважте, що кількість даних, які ви можете ввести через носій, все ж відрізняється, регулюючись його співвідношенням сигнал / шум. Швидкість розповсюдження визначає мінімальну затримку, а не пропускну здатність.

2. Чи швидкість електрона в скажімо резисторі різна, ніж у дроті?

3. Це важливо?

   Зверху ми знаємо, що відповіді "так" і "ні" для швидкостей електронів.

   На швидкість поширення хвилі впливають ємність, індуктивність та діелектрична константа як матеріалу, який ви поширюєте, так і будь-яких сусідніх ізоляторів до площин заземлення. Тому сигнал поширюватиметься з дещо іншою швидкістю через резистор, ніж дріт, оскільки він виготовлений з іншого матеріалу і стоїть поза дошкою.

4. Або ефекти електрона - єдине важливе, а нижчі рівні абстракції не корисні на практиці?

Більшу частину часу вам не доведеться турбуватися про електрони. Вони беруть участь безпосередньо в катодних променях, вакуумних люмінесцентних дисплеях і термоіонних "клапанах".

Це стосується також напівпровідників, де фізика є жорсткою, а іноді і протиінтуїтивною, але основні знання про використання транзистора, FET або діода в ланцюзі набагато простіші.

Розглянемо лінію доміно - натисніть на один кінець у цьому кінці, і збудження переходить до іншого. Швидкість окремих шматочків і стурбованість або хвиля-фронт дуже різні, і жоден окремий шматок не їде звідси туди.

Існує низка ідей, які є релевантними

• З якою швидкістю рухаються електрони?
• Як швидко дрейфують електрони, коли тече струм?
• як швидко поширюється сигнал вздовж мідного дроту

Ви можете пов’язати це зі старою аналогією водопровід у трубах

• Молекули Н2О завжди дрімають у рідкому стані (або будь-якому стані вище 0 Келвіна?)
• Молекули Н2О в шланговій трубі також повільно дрейфують від крана до сопла
• Коли ви вмикаєте кран, хвиля тиску рухається набагато швидше, ніж швидкість дрейфу.

Актуальні відповіді для електронів є

• Не знаю, досить швидко. 2 х 10 ^ 6 м / с? ( ref †)
• Типове значення може становити 1 метр на годину.
• Частка швидкості світла. ( ref ‡)

_{† Для електрона на певній орбіті, мабуть, багато чого відрізняється від "вільних" електронів у міді :-).
‡ Для сигналу в розсолі, мабуть, багато іншого для міді :-)}

Ще один аспект цього:

Перш ніж хто-небудь зможе відповісти на питання ОП, спочатку ми повинні визначити слово "Електрика". Коли потоки електронів - це "потік електрики?" Ні і так! Різні підручники суперечать один одному. Немає простої відповіді, з якою експерти можуть погодитися.

Фізика говорить, що кількість електричної енергії визначається як кулони; як заряд. (Дивіться, наприклад, Довідник CRC. Або NIST, або стандарти MKS SI для одиниць фізики.) За цим визначенням "електрика" ми би сказали, що електрон несе з собою невелику кількість електроенергії під час руху. У металах тече електрика, електричний струм - повільно дрейфуючі електрони.

Чому це проблема? Просте: більшість підручників з фізики повністю не згодні. Натомість вони заявляють, що "електрика" означає "потік електронів" або струм. Для них "електрика" - це не кулони, натомість це витрата; ампери. Для них, коли зупиняється потік, "електрика" зникала.

Але для фізиків, коли потік припиняється, електрика просто сидить непорушною в проводах, оскільки щільність носіїв не змінюється, коли змінюються ампери. Для фізиків усі дроти вже переповнені електрикою; завжди містить "електронне море;" мобільні носії всіх металів. Але для підручників з фізики провід - це як порожні труби, де "електрика" збільшується майже зі швидкістю світла.

Що тоді електрика? Фізичні стандарти (MKS, конвенція стандартів СІ) чітко визначають електрику. Але наші шкільні книжки це ігнорують, або вони мовчки роблять вигляд, що стандарти фізики можна змінювати за бажанням. Натомість шкільні підручники погоджуються визначати "електрику" дуже по-різному: не як кількість зарядів, а як поточний рух зарядів.

Що тоді електрика? (Або більш гранічно, це електрика ... потік електроенергії? І коли електроенергія почне текти, ми називаємо цей потік назвою "... електрика?")

:)

Ця божевілля навіть вражає інженерну мову. Фізики кажуть, що електрони є носіями заряду в металах. Натомість інженери називають їх ... носіями струму? Так. Перевірте будь-який інженерний текст університету. Фізики знають про збереження заряду. Це основний закон. Але ми, інженери, дізнаємось про ... Збереження течії ?! Нас вчать, що струм - це "матеріал", який протікає по дротах. Підручники EE рясніють фразою "потік струму", і рідко, якщо взагалі, згадувати правильну версію, "потік заряду".

Традиційне рішення таких проблем добре відоме: розробляти стандарти та вузько визначати технічні терміни. Потім ретельно дотримуйтесь цих мовних стандартів. Не використовуйте популярні визначення, а використовуйте виключно вузьку наукову термінологію. Це прорізає весь туман і БС і плутанину. Однак у цьому випадку відбудеться важкий бій, оскільки використання стандартів фізики означатиме, що тисячі підручників з нефізичної науки / електроніки / інженерів та поколінь експертів помиляються принципово. Через постійне зловживання базовою науковою термінологією багато поколінь студентів зараз не мають поняття, що таке "електрика" насправді, і тому повинні постійно запитувати, чи тече вона повільно разом із швидкістю дрейфу (зарядний потік,

Більше BS-різання: струми не течуть, натомість вони поширюються. Коли ми натискаємо на один кінець стержня, рух не тече. Натомість вона поширюється як хвиля. Те саме з струмами в ланцюгах: потік зарядів так, але хвилепоширення струмів. Поширення струмів у ближній світлі - це те саме, що і хвиля ЕМ.

І нарешті, задайте собі це критично важливе питання: чи в річках і струмках тече по течії? Або матеріал насправді називається "вода?"