Как быстро течет электричество?

Я время от времени путаюсь с физикой электричества низкого уровня. Это пришло в голову « Каким образом электричество питает цепь », и я не совсем понял.

Как быстро течет электричество? В электронном резисторе скорость электрона отличается от скорости в проводе? Это имеет значение? Или эффекты электрона - единственная важная вещь, поскольку более низкие уровни абстракции бесполезны на практике?

Я знаю, что на эту тему уже есть материалы, и я прочитал некоторые из них. Я думаю, что вопрос на этом сайте может вдохновить на некоторые интересные ответы на давний вопрос.

Бонусные баллы за:

• Выявление и устранение распространенных заблуждений
• Объяснение таким образом, чтобы кто-то, имеющий диплом средней школы, мог понять, не слишком упрощая его настолько, что это неверно

Как быстро течет электричество? Это хороший вопрос, потому что он кажется достаточно простым вопросом, но обычно он указывает на некоторые неверные представления. Первая трудность в ответе на вопрос состоит в том, чтобы знать, что такое электричество? Ты имеешь ввиду:

1. Как быстро распространяются изменения в электрических полях? или...
2. Как быстро движутся носители электрического заряда?

Обычно люди, задающие этот вопрос, на самом деле заботятся о первом, но думают о последнем. Однако, не имея четкого понимания различий, их основополагающая проблема на самом деле не может быть решена без отступления и устранения основных заблуждений, которые приводят к вопросу.

Поймите вот что: есть силы, и есть вещи, которые передают силы, и это не одно и то же. Вот пример: я держу один конец веревки, а вы держите другой конец. Когда я хочу привлечь ваше внимание, я дергаю за веревку. Есть веревка, и есть буксир. Буксир движется как волна силы вниз по веревке со скоростью звука в веревке. Сама веревка будет двигаться с другой скоростью.

Скажем, у меня есть две смотровые башни, и когда я вижу приближающихся захватчиков, я кричу на другую башню. Звук будет распространяться как волны в воздухе со скоростью звука. Как быстро движутся молекулы в воздухе? Вы заботитесь?

Некоторые люди не позволят этому уйти, пока движение молекул не будет объяснено, хотя это обычно не имеет отношения к их проблемам. Итак, вот ответ: молекулы летают во всех случайных направлениях, все время. Они летают, потому что имеют ненулевую температуру. Некоторые очень быстрые. Некоторые очень медленные. Они сталкиваются друг с другом все время. Это очень случайно.

Когда вы кричите, ваш голосовой тракт сжимается (и разряжается, так как ваши голосовые связки вибрируют) в воздухе. Молекулы в этой сжатой области хотят переместиться в область с меньшим давлением, что они и делают. Но теперь в этом соседнем регионе слишком много воздуха, и он немного более сжат, чем воздух вокруг него, поэтому сжатый регион расширяется наружу немного больше. Эта волна сжатия движется по воздуху со скоростью звука.

Все это происходит наложенным на случайное движение молекул, упомянутых ранее. Маловероятно, что те же самые молекулы, которые были в вашем голосовом тракте, будут теми, которые вибрируют в ухе слушателя. Если вы наблюдаете за отдельными молекулами, вы будете наблюдать их движение во всех направлениях. Только если вы наблюдаете много из них, вы заметите, что немного больше пошло в одном направлении по сравнению с другим. Для всех вещей, которые мы бы назвали «звуком», верно, что случайное движение молекул из-за теплового шума намного больше, чем их движение из-за звука. Когда «звук» становится более актуальным движением, мы склонны называть его не «звуком», а скорее «взрывом».

Ситуация с электричеством не сильно отличается. Металлический проводник полон электронов, которые могут свободно бродить по всей цепи в случайных направлениях, и они делают это просто потому, что они теплые. Вещи в наших цепях создают волны в этом море электронов, и эти волны распространяются со скоростью света ¹ . При токах, которые мы обычно встречаем в цепях, большая часть движения электронов происходит из-за теплового шума.

Итак, теперь мы можем ответить на вопросы:

Как быстро распространяются изменения в электрических полях? На скорости света в среде, в которой они распространяются. Для большинства кабелей это около 60-90% скорости света в вакууме.

Как быстро движутся носители электрического заряда? Скорости отдельных носителей заряда являются случайными. Если вы берете среднее значение всех этих скоростей, вы можете получить некоторую скорость, которая зависит от плотности носителей заряда и тока, а также от площади поперечного сечения проводника, и обычно она составляет менее нескольких миллиметров в секунду в медном проводе. Кроме того, резистивные потери становятся высокими в обычных металлах, и люди имеют тенденцию увеличивать провода, вместо того, чтобы заставлять заряды двигаться быстрее.

Дальнейшее чтение: Скорость потока электричества Билла Бэти

^{1: скорость света зависит от материала, в котором распространяется свет, так же, как со звуком. См. Скорость распространения волн .}

Это действительно больше физический вопрос, чем вопрос электроники ... Причина в том, что инженеры-электрики и электроники редко (если вообще когда-либо) рассматривают такие субатомные вычисления. Факт, что электроны движутся вообще, - вот что действительно имеет значение, то, как быстро они движутся, не имеет большого значения для цепи. Инженеру может быть полезно знать, как быстро может изменяться электрический потенциал (напряжение), поскольку это будет определять максимальную передачу данных по проводу (скорость провода), которая связана с сопротивлением, емкостью и индуктивностью носителя заряда, между прочим Это также связано со скоростью распространения волны, обсуждаемой в некоторых других ответах. Это две совершенно разные проблемы ...

Обзор электричества

Для начала «электричество» не течет. Электричество - это физическое проявление потока электрического заряда. Хотя этот термин относится к широкому спектру явлений, он чаще всего связан с движением (возбуждением) электронов - отрицательно заряженных субатомных частиц. Когда определенные элементы составлены, электроны могут свободно перемещаться через самый внешний слой электронного облака от одного атома к другому. Проводник легко пропускает поток электронов, а изолятор ограничивает его. Полупроводники (например, кремний) обладают контролируемой проводимостью, что делает их идеальными для использования в современной электронике.

Как вы знаете, электрический ток измеряется в амперах (амперах). Это действительно измерение того, сколько электронов движется через одну точку за одну секунду:

1 ампер = 1 кулон в секунду = 6,241509324x10 ^ 18 электронов в секунду

Пока на проводнике присутствует напряжение (потенциал), ток (провод, резистор, двигатель и т. Д.) Будет течь. Напряжение представляет собой измерение электрического потенциала между двумя точками, поэтому более высокое напряжение позволит обеспечить более высокий ток, то есть движение большего количества электронов через точку в секунду.

Скорость электрона

Конечно, известная скорость голодания - это скорость света: 3 * 10 ^ 8 м / с. Тем не менее, электроны, как правило, не движутся где-либо рядом с этой скоростью На самом деле, вы будете удивлены, узнав, как медленно они на самом деле двигаются.

Фактическая скорость электрона называется скоростью дрейфа . Когда течет ток, электроны на самом деле движутся не по прямой линии, а через проволоку, а как бы перемешиваются между атомами. Фактическая средняя скорость потока электронов пропорциональна току по следующей формуле:

v = I / (nAq) = ток / (плотность носителей * площадь поперечного сечения носителей * заряд несущих)

Этот пример взят из Wikepedia , потому что я не хотел сам искать цифры ...

Рассмотрим ток 3 А, протекающий через медный провод диаметром 1 мм. Медь имеет плотность 8,5 * 10 ^ 25 электронов / м ^ 3, а заряд одного электрона составляет -1,6 * 10 ^ (- 19) кулонов. Провод имеет площадь поперечного сечения 7,85 * 10 ^ (- 7) м ^ 2. Следовательно, скорость дрейфа будет:

v = (3 кулона / с) / (8,5 * 10 ^ 25 электронов / м ^ 3 * 7,85 * 10 ^ (- 7) м ^ 2 * -1,6 * 10 ^ (- 19) кулонов)

v = -0.00028 м / с

Обратите внимание на отрицательную скорость, подразумевая, что ток действительно течет в противоположном направлении, как обычно думают. Кроме того, единственное, что нужно заметить, это то, насколько медленно это происходит на самом деле. Ток 3 А не такой маленький, а медный провод - отличный проводник! На самом деле, чем выше сопротивление в носителе заряда, тем выше будет скорость. Это похоже на то, как различные настройки насадки для душа будут вызывать одинаковое давление воды из крана на разных скоростях. Чем меньше отверстие, тем быстрее должна выходить вода!

Смысл этого

Если электроны движутся так медленно, то как можно передавать данные так быстро? Или даже, как выключатель света может управлять светом мгновенно с такого расстояния? Это потому, что нет ни одного электрона, который должен течь из одной точки в цепи в другую, чтобы что-то работало. На самом деле, в каждой точке цепи всегда много свободных электронов (количество зависит от элементного состава материала носителя), которые перемещаются, как только прикладывается достаточно большой потенциал (напряжение).

Подумайте о воде в трубе. Если в трубе нет воды, для начала потребуется некоторое время, чтобы вода достигла крана при включенном изливе. Однако в доме уже должна быть вода во всех точках трубы, поэтому вода вытекает из крана, как только он включается. Он не должен перемещаться от источника воды к крану, потому что он уже находится в трубе, просто ожидая возможности протолкнуть его. То же самое и с проводом: в проводе уже так много электронов, просто ожидающих, чтобы их протолкнуло наличие потенциала напряжения. Скорость перемещения одного электрона из одной точки провода в другую совершенно не имеет значения.

С другой стороны, скорость передачи данных через физический носитель важна и имеет теоретический максимум, как обсуждалось в этом замечательном вопросе и ответах, поэтому я не буду вдаваться в подробности .

Электроны вводят вас в заблуждение. Игнорируй их. Во всяком случае, они идут в неправильном направлении. Люди любят создавать маленькие анимированные модели, которые показывают, что они движутся - это правда, и наблюдают, что электронное общение почти мгновенно - верно, и приходят к выводу, что электроны движутся почти мгновенно - что неверно.

1. Как быстро течет электричество?

   Есть две возможные интерпретации: «как быстро движутся электроны?» и "как быстро распространяется электронный сигнал?"

   Курт уже ответил "как быстро движутся электроны?" со скоростью дрейфа . Однако электронные сигналы определяются электромагнитной волной, распространяющейся через материал с помощью носителей заряда. Сигнал распространяется с некоторой долей скорости света, на который влияют свойства линии передачи .

   Это накладывает реальные ограничения на высокоскоростные системы. На практике для распространения сигнала по 30 см печатной платы требуется около наносекунды. В результате минимальная задержка между частями компьютера.

   Индуктивность и емкость линии ограничивают то, насколько «острым» можно сделать ребро и отправить его по линии. Это будет размазано к синусоидальной форме.

   Обратите внимание, что объем данных, которые вы можете передавать через носитель, по-прежнему различен и определяется отношением сигнал / шум. Скорость распространения определяет минимальную задержку, а не полосу пропускания.

2. В электронном резисторе скорость электрона отличается от скорости в проводе?

3. Это имеет значение?

   Сверху мы знаем, что ответы «да» и «нет», для скоростей электронов.

   На скорость распространения волны влияют емкость, индуктивность и диэлектрическая проницаемость как материала, через который вы распространяетесь, так и любых близлежащих изоляторов к земляным плоскостям. Поэтому сигнал будет распространяться через резистор с очень небольшой скоростью по сравнению с проводом, так как он сделан из другого материала и стоит на плате.

4. Или эффекты электрона - единственная важная вещь, поскольку более низкие уровни абстракции бесполезны на практике?

Большую часть времени вам не нужно беспокоиться об электронах. Они подключаются непосредственно к электронно-лучевым трубкам, вакуумным флуоресцентным дисплеям и термоэлектронным «клапанам».

Это также верно для полупроводников, где физика сложна, а иногда и нелогична, но базовые знания о том, как использовать транзистор, полевой транзистор или диод в схеме, намного проще.

Подумайте о линии домино - толкните одно на этом конце, и возмущение перейдет к другому. Скорость отдельных частей и возмущения или волнового фронта очень разные, и никакие отдельные части не перемещаются отсюда туда.

Есть ряд идей, которые актуальны

• Как быстро движутся электроны?
• Как быстро дрейфуют электроны, когда течет ток?
• как быстро сигнал распространяется по медному проводу

Вы можете связать это со старой аналогией вода в трубах

• Молекулы H2O всегда движутся в жидком состоянии (или в любом состоянии выше 0 Кельвина?)
• Молекулы H2O в шланге также медленно перемещаются от крана к соплу
• При включении крана волна давления распространяется намного быстрее, чем скорость дрейфа.

Фактические ответы для электронов

• Не знаю, довольно быстро. 2 х 10 ^ 6 м / с? ( ссылка †)
• Типичное значение может составлять 1 метр в час.
• Доля скорости света. ( ссылка ‡)

_{† Для электрона на определенной орбите, вероятно, сильно отличается от "свободных" электронов в меди :-).
‡ Для сигнала в рассоле, вероятно, сильно отличается для меди :-)}

Еще один аспект этого:

Прежде чем кто-либо сможет ответить на вопрос ОП, сначала мы должны определить слово «Электричество». Когда электроны текут, это «поток электричества»? И да! Разные учебники противоречат друг другу. Нет простого ответа, с которым эксперты могут согласиться.

Физика говорит, что количество электричества определяется как кулоны; в качестве заряда. (См., Например, Справочник CRC. Или стандарты NIST, или стандарты MKS SI для физических единиц.) В соответствии с этим определением «электричество», мы бы сказали, что электрон несет с собой небольшое количество электричества при движении. В металлах текущее электричество, электрический ток, представляет собой медленно дрейфующие электроны.

Почему это проблема? Все просто: большинство учебников по физике совершенно не согласны. Вместо этого они утверждают, что «электричество» означает «поток электронов» или ток. Для них «электричество» - это не кулоны, а скорость потока; амперы. Для них, когда поток останавливается, «электричество» исчезает.

Но для физиков, когда поток останавливается, электричество просто остается неподвижным в проводах, поскольку плотность носителей не меняется при изменении ампер. Для физиков все провода уже полны электричества; всегда содержащий «электронное море»; мобильные перевозчики всех металлов. Но для учебников, не связанных с физикой, провода похожи на пустые трубки, в которых «электричество» увеличивается почти со скоростью света.

Что же такое электричество? Физические стандарты (MKS, конвенция стандартов SI) четко определяют электричество. Но наши учебники игнорируют это, или они молча делают вид, что физические стандарты могут быть изменены по желанию. Вместо этого все школьные учебники согласны определять «электричество» совершенно по-другому: не как количество зарядов, а как плавное движение зарядов.

Что же такое электричество? (Или, что более очевидно, электричество ... поток электричества? И когда электричество начинает течь, мы называем этот поток именем "... электричество?")

:)

Это безумие даже заражает инженерный язык. Физики говорят, что электроны являются носителями заряда в металлах. Вместо этого инженеры называют их ... нынешние перевозчики? Ага. Проверьте любой инженерный текст университета. Физики знают о сохранении заряда. Это основной закон. Но мы, инженеры, узнаем о ... сохранении тока ?! Нас учили, что ток - это «материал», который течет по проводам. В учебниках по ЭЭ встречается выражение «поток тока», и редко, если вообще когда-либо упоминается правильная версия «поток заряда».

Традиционное решение таких проблем общеизвестно: разрабатывать стандарты и узко определять технические термины. Затем тщательно придерживайтесь этих языковых стандартов. Не используйте популярные определения, вместо этого используйте исключительно узкую научную терминологию. Это прорезает весь туман и БС и путаницу. И все же в этом случае будет нелегкая битва, поскольку использование физических стандартов будет означать, что тысячи учебников по физике / электронике / инженерам, не относящимся к физике, и поколениям экспертов в корне неверны. Из-за их постоянного неправильного использования основной научной терминологии многие поколения студентов теперь не имеют представления о том, что такое "электричество", и поэтому должны постоянно спрашивать, медленно ли оно течет вместе со скоростью дрейфа (поток заряда,

Больше BS-резки: токи не текут, а распространяются. Когда мы нажимаем на один конец стержня, движение не течет. Вместо этого он распространяется как волна. То же самое и с токами в цепях: поток зарядов да, но распространение течений волн. Распространение токов в ближнем свете - это то же самое, что и электромагнитная волна.

И, наконец, задайте себе этот критически важный вопрос: в реках и ручьях течет «течение»? Или это на самом деле называется вода?