זו באמת יותר שאלה של פיזיקה מאשר שאלת אלקטרוניקה ... הסיבה להיות מהנדסי חשמל ואלקטרוניקה לעיתים נדירות (אם בכלל) שוקלים חישובים תת אטומיים כאלה. העובדה שהאלקטרונים נעים בכלל היא מה שחשוב באמת, כמה מהר הם נעים ללא השפעה במעגל. מה שעשוי להיות שימושי למהנדס הוא לדעת כמה מהר יכול לשנות פוטנציאל חשמלי (מתח) מכיוון שהדבר יחליט על העברת הנתונים המקסימאלית על חוט (מהירות חוט) שקשורה להתנגדות, קיבול והשראות של נושאת המטען, בין השאר. זה קשור גם למהירות התפשטות הגלים שעליה נדון בחלק מהתשובות האחרות. אלה שתי סוגיות שונות לחלוטין ...
סקירת חשמל
כדי להתחיל, "חשמל" לא זורם. חשמל הוא הביטוי הפיזי של הזרימה של המטען החשמלי. למרות שמונח זה חל על קשת רחבה של תופעות, הוא קשור לרוב לתנועה (עירור) של אלקטרונים - חלקיקים תת אטומיים שליליים. כאשר מרכיבים מסוימים מורכבים, האלקטרונים יכולים לנוע בחופשיות דרך השכבה החיצונית ביותר של ענן האלקטרונים מאטום אחד למשנהו. מוליך מאפשר בקלות זרימת אלקטרונים, ואילו מבודד מגביל אותה. למוליכים למחצה (כמו סיליקון) יש מוליכות ניתנת לשליטה, מה שהופך אותם לאידיאליים לשימוש באלקטרוניקה מודרנית.
כידוע, זרם חשמלי נמדד באמפר (אמפר). זו באמת מדידה של כמה אלקטרונים עוברים בנקודה אחת בשנייה אחת:
1 אמפר = 1 קולומב לשנייה = 6.241509324x10 ^ 18 אלקטרונים לשנייה
כל עוד קיים מתח (פוטנציאל) על פני מוליך, (חוט, נגד, מנוע וכו ') יזרם זרם. המתח הוא מדידה של הפוטנציאל החשמלי בין שתי נקודות, ולכן בעל מתח גבוה יותר יאפשר זרימת זרם גבוהה יותר, כלומר תנועה של יותר אלקטרונים דרך נקודה לשנייה.
מהירות אלקטרונים
כמובן, המהירות הידועה בצום היא מהירות האור: 3 * 10 ^ 8 מ 'לשנייה. עם זאת, אלקטרונים בדרך כלל אינם נעים בשום מקום קרוב למהירות זו. למעשה, תתפלאו לדעת כמה לאט הם נעים בפועל.
המהירות האמיתית של האלקטרון מכונה מהירות סחיפה . כאשר זרם זורם, האלקטרונים למעשה לא נעים בקו ישר אם כיוון חוט, אלא מעין סיבוב סביב האטומים. מהירות ה ממוצעת הממוצעת של זרימת האלקטרונים היא פרופורציונאלית לזרם באמצעות הנוסחה הבאה:
v = I / (nAq) = זרם / (carrier carrier * *) שטח חתך * חיוב מנשא)
דוגמה זו לקוחה מ ויקיפדיה, מכיוון שלא רציתי לחפש את המספרים בעצמי .. .
שקול זרם 3A הזורם דרך חוט נחושת בקוטר 1 מ"מ. לנחושת יש צפיפות של 8.5 * 10 ^ 25 אלקטרונים / מ ^ 3 והמטען של אלקטרון אחד הוא -1.6 * 10 ^ (- 19) קולומבים. לחוט שטח חתך של 7.85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2. לפיכך, מהירות הסחף תהיה:
v = (3 קולומבים / שניות) / (8.5 * 10 ^ 25 אלקטרונים / מ ^ 3 * 7.85 * 10 ^ (- 7) מ ^ 2 * -1.6 * 10 ^ (- 19) קולומבים)
v = -0.00028 m / s
שימו לב למהירות השלילית, ומשמע שהזרם אכן זורם בכיוון ההפוך שבדרך כלל נחשב. מלבד זאת, הדבר היחיד שיש לשים לב אליו הוא איטי. זרם של 3 אמפר הוא לא כזה קטן, וחוט נחושת הוא מוליך מצוין! למעשה, ככל שההתנגדות במוביל המטען גבוהה יותר, המהירות תהיה מהירה יותר. זה דומה לאופן שבו הגדרות שונות על ראש מקלחת יגרמו לאותו לחץ מים לצאת מהברז במהירות שונה. ככל שהחור קטן יותר, כך המים צריכים לצאת מהר יותר!
הגיוני זה
אם אלקטרונים נעים לאט כל כך, אז איך אפשר להעביר נתונים כל כך מהר? או אפילו, איך מתג אור יכול לשלוט באור באופן מיידי כל כך רחוק? הסיבה לכך היא שאין אלקטרון אחד שחייב לזרום מנקודה אחת במעגל לאחר כדי שכול דבר יעבוד. למעשה, ישנם אלקטרונים חופשיים רבים (הכמות תלויה במרכיב האלמנטרי של חומר המוביל) בכל נקודת המעגל בכל הזמנים שנעים ברגע שמופעל פוטנציאל מספיק גדול (מתח).
תחשוב על מים בצינור. אם אין מים בצינור מלכתחילה, ייקח קצת זמן עד שהמים יגיעו לברז עם הפעלת זרבובית. עם זאת, בבית, צריך להיות על ידי מים בכל נקודה בצינור, כך שהמים זורמים מהברז ברגע שהוא מופעל. זה לא צריך לנסוע ממקור המים לברז כי הוא כבר נמצא בצינור, רק מחכה לפוטנציאל שידחוף אותו. זה אותו דבר עם חוט: יש כבר כל כך הרבה אלקטרונים בחוט, שרק מחכים להידחק על ידי נוכחותו של פוטנציאל המתח. המהירות שלוקח לאלקטרון אחד לעבור מנקודה אחת בחוט לאחרת אינה רלוונטית לחלוטין.
מצד שני, מהירות העברת הנתונים דרך מדיום פיזי היא חשובה ויש לה מקסימום תיאורטי, כפי שנדון ב שאלה ותשובות נפלאות זו כך שלא אכנס לזה כאן .