ما هي سرعة الإلكترون في موصل الحمل الحالي؟

شرح العداد الالكتروني الذي يعمل بالكارت الجديد (أبريل 2019).

Anonim

يبدو أن قلة من الناس ، في خضم مفاهيم متطابقة تقريبًا ، قد أدركوا أن الإلكترونات في الموصل تسير بنفس سرعة الضوء. هل تعتقدين حقاً أنه إذا تم إطلاق شعاع ليزر من الأرض على نحو متزامن على كاشف على المريخ وتمرير الكهرباء عبر سلك طوله ملايين الأمتار يربط البطارية على الأرض وبصمام على المريخ ، فعندئذٍ فإن الكاشف والبصلة تضيء في نفس الوقت؟

هل الضوء الذي تشعّه الشمس والإلكترونات في الموصل يسير بنفس السرعة؟ (صورة الائتمان: Pixabay.com)

لماذا لا تستطيع الإلكترونات السفر بسرعة الضوء

لا يستطيع الإلكترون أن يفوز بالسباق في الفراغ ، ناهيك عن داخل الموصل. لا يستطيع الإلكترون أن يسافر بنفس سرعة الضوء لسبب بسيط هو أنه يمتلك كتلة. الضوء هو أسرع شيء في الكون لأنه بلا كتلة. يحمل معها أي أمتعة ويظهر على الاطلاق أي الجمود الذي يعيق حركتها.

الضوء هو أسرع شيء في الكون لأنه بلا كتلة. (نوع الصورة: Pexels)

قد تكون كتلة الإلكترون صغيرة الحجم من حيث الحجم ، لكنها تكفي لمنع الجسيم من السفر بسرعة 300 مليون م / ث. في الواقع ، إهمال الفوتون ، لأنه بدون كتلة ، الإلكترون ليس حتى أخف جسيم اكتشفناه حتى الآن. هذا العنوان ينتمي إلى النيوترينو. الإلكترون يكاد يصل إلى 500000 مرة أكثر من النيوترينو.

سرعات الكهرباء

وبالتالي فإن سرعة إلكترون الفرد هي سرعته بين الاصطدامات. كم من الوقت يستغرقه الإلكترون للسفر ربما نانومتر واحد؟ يتم قياس السرعة الفردية لتكون في حجم ملايين الأمتار في الثانية. ومع ذلك ، ولأن حركتها عشوائية ، فإن كل مستطيلات الإلكترون تتحرك بسرعة مختلفة.

متوسط ​​أو سرعة الانجراف

بعض الإلكترونات تسافر بسرعة كبيرة ، بينما البعض الآخر لا يفعل ذلك. من الواضح أن المعدل سيكون أقل بكثير من مليون متر في الثانية. ومع ذلك ، ما يثير الدهشة هو أن متوسط ​​السرعات يصل إلى النقطة العشرية في اليسار إلى مسافة لم يكن أحد يتخيلها. وتبلغ سرعة الانجراف للإلكترونات عبر سلك نحاسي من منطقة مستعرضة 3.00 × 10 -6 م 2 ، تحمل تيار 10A ، حوالي 2.5 × 10-4 م / ث ، أو ربع ملليمتر في الثانية الواحدة!

تزداد سرعة الانجراف بزيادة في جهد التيار المستمر ، ولكنها تظل ثابتة إما مع انخفاض أو زيادة في جهد التيار المتردد

.

باستمرار لا يكاد يذكر. سرعة الانجراف AC الحالية هي مائة إلى ألف مرة أقل من سرعة الانجراف في تيار التيار المستمر. بينما كان 250 ميكرومتر في الثانية للسلك النحاسي المذكور أعلاه يحمل تيار تيار مستمر ، فإنه سيكون 0.25 ميكرومتر في الثانية لنفس السلك الذي يحمل تيار تيار متردد.

ولا حتى نقطة الاتصال أو المفتاح الذي تتسرب من خلاله الإلكترونات نفسها أطول من 0.25 ميكرومتر. تذكر أن الإلكترونات التي تشكل تيار تيار متردد ، بخلاف تلك التي تشكل تيار تيار مستمر ، لا تتحرك خطياً إلى الأمام ، بل بدلاً من ذلك تتناوب بين المطاريف ؛ إذا كانت تتناوب عند 0.25 ميكرومتر في الثانية ، فهل من المفارقات أن لا تدخل الدائرة على الإطلاق؟

إشارة السرعة

(مصدر الصورة: Pixabay)

صحيح أن الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر بسرعة الضوء ؛ في الواقع ، الضوء نفسه هو موجة كهرمغنطيسية. ومع ذلك ، فإن سرعة الموجة الكهرومغناطيسية تختلف مع خصائص الوسط الذي تنتقل فيه. إن الموجات التي تشعها الإلكترونات تسير بسرعة 300 مليون متر في الثانية في الفراغ ، ولكنها تتحرك بنفس السرعة في الموصل فقط إذا كان تركيبها أو هندستها تسمح بذلك.

قد تنتقل الموجات ، أو ما يسمى بالإشارة ، ما بين 50٪ إلى 90٪ من سرعة الضوء اعتمادًا على ما إذا كانت الإلكترونات تتحرك في موصل "سيئ" أو "جيد". إذا انحرفت الإلكترونات حرفياً لإكمال الدارة ، كيف يتوهج المصباح في غرفة نومك على الفور تقريباً؟ حسنًا ، لأن تأثير الموجات الكهرومغناطيسية أو الإشارة ينتشر ، ليس عند سرعة الضوء ، ولكن بسرعة كبيرة بما يكفي لإدراكه على أنه فوري بشكل فعال. لهذا السبب ، لا يمكن أن ينتهي السباق بالتعادل ؛ سوف يخرج الفوتون دائما منتصرا.

فكر في الأمر على النحو التالي: قم بتصوير طابور من الأشخاص الذين يفكرون بفارغ الصبر الذين يملأون بقلق في أماكنهم. فجأة ، يقرر آخر شخص في الطابور دفع الشخص إلى الأمام ، الذي يدفع بالتالي أمامه وهكذا. إن الدفع أو الإشارة "تنتقل" على الفور ، لكن الشخص أو الإلكترون نفسه لا يفعل ذلك. إذا كان الناس قد اصطفوا في طوابير لدخول الباب ، فمن المؤكد أن الدفع المنشور سيصل إلى الباب أولاً. ومع ذلك ، فإن الدوافع الأول سوف يكون أبعد من ذلك بكثير. سيستمر الناس في التململ بفارغ الصبر ، فقط كيف أن الإلكترونات الفردية تنزلق بسرعات هائلة. ومع ذلك ، فإن الطابور في المتوسط ​​، يمضي قدمًا بوتيرة مملة.