Dòng điện chạy nhanh như thế nào?

Thỉnh thoảng tôi bị lẫn lộn về vật lý điện ở mức độ thấp. Nó xuất hiện trong " Cách nào cung cấp năng lượng cho mạch điện " và tôi hoàn toàn không hiểu được.

Dòng điện chạy nhanh như thế nào? Là tốc độ của một điện tử khác nhau khi nói một điện trở so với trong một dây? Có vấn đề gì không? Hay những tác động của electron là điều quan trọng duy nhất, với mức độ trừu tượng thấp hơn không hữu ích trong thực tế?

Tôi biết đã có tài liệu về chủ đề này, và tôi đã đọc một số trong số họ. Tôi nghĩ rằng có câu hỏi trên trang web này có thể truyền cảm hứng cho một số câu trả lời thú vị cho câu hỏi lâu đời.

Điểm thưởng cho:

• Xác định và làm sáng tỏ những quan niệm sai lầm phổ biến
• Giải thích theo cách mà một người có bằng tốt nghiệp trung học có thể hiểu, mà không cần quá đơn giản hóa nó đến mức không chính xác

Dòng điện chạy nhanh như thế nào? Đây là một câu hỏi hay, bởi vì nó có vẻ như là một câu hỏi đủ đơn giản, nhưng thông thường nó chỉ ra một số quan niệm sai lầm tiềm ẩn. Khó khăn đầu tiên trong việc trả lời câu hỏi là biết, điện là gì? Ý bạn là:

1. Làm thế nào nhanh chóng để thay đổi trong lĩnh vực điện tuyên truyền? hoặc là...
2. Làm thế nào nhanh chóng mang điện tích di chuyển?

Thông thường, những người hỏi câu hỏi này thực sự quan tâm đến cái trước, nhưng đang nghĩ về cái sau. Tuy nhiên, không có sự hiểu biết rõ ràng về sự khác biệt, mối quan tâm tiềm ẩn của họ thực sự không thể được giải quyết mà không lùi bước và giải quyết các quan niệm sai lầm tiềm ẩn dẫn đến câu hỏi.

Hiểu được điều này: có những lực, và có những thứ truyền lực, và chúng không giống nhau. Đây là một ví dụ: Tôi đang giữ một đầu của một sợi dây và bạn đang giữ đầu kia. Khi tôi muốn thu hút sự chú ý của bạn, tôi kéo sợi dây. Có dây, và có kéo. Tàu kéo đi như một làn sóng lực xuống sợi dây với tốc độ âm thanh trong sợi dây. Sợi dây sẽ tự di chuyển ở một số tốc độ khác.

Nói rằng tôi có hai tháp canh, và khi tôi thấy những kẻ xâm lược đang đến gần, tôi hét lên với tháp khác. Âm thanh sẽ truyền đi như sóng trong không khí với tốc độ âm thanh. Làm thế nào nhanh chóng các phân tử trong không khí di chuyển? Bạn có quan tâm không?

Một số người sẽ không để điều này xảy ra cho đến khi chuyển động của các phân tử thực sự được giải thích, mặc dù điều đó thường không liên quan đến mối quan tâm của họ. Vì vậy, đây là câu trả lời: các phân tử đang bay xung quanh theo mọi hướng ngẫu nhiên, mọi lúc. Chúng bay xung quanh vì chúng có nhiệt độ khác không. Một số rất nhanh. Một số rất chậm. Họ va vào nhau mọi lúc. Nó rất ngẫu nhiên.

Khi bạn hét lên, đường hô hấp của bạn sẽ nén (và hiếm khi, dây thanh âm của bạn rung lên) một chút không khí. Các phân tử trong vùng nén này muốn di chuyển đến một vùng có ít áp lực hơn, vì vậy họ làm. Nhưng bây giờ khu vực gần đó có quá nhiều không khí, và nén hơn một chút so với không khí xung quanh nó, vì vậy khu vực nén mở rộng ra bên ngoài nhiều hơn một chút. Làn sóng nén này di chuyển trong không khí với tốc độ âm thanh.

Tất cả điều này xảy ra chồng lên chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử được đề cập trước đó. Không chắc rằng các phân tử tương tự trong đường hô hấp của bạn sẽ là những phân tử rung trong tai người nghe. Nếu bạn xem các phân tử riêng lẻ, bạn sẽ quan sát chúng đi theo mọi hướng. Chỉ khi bạn quan sát nhiều người trong số họ, bạn sẽ nhận thấy rằng hơi nhiều hơn đi theo một hướng so với hướng khác. Điều này đúng với tất cả những gì chúng ta gọi là "âm thanh" rằng chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử do nhiễu nhiệt lớn hơn nhiều so với chuyển động của chúng do âm thanh. Khi "âm thanh" trở thành chuyển động phù hợp hơn, chúng ta có xu hướng gọi nó không phải là "âm thanh" mà là "tiếng nổ".

Tình hình với điện không có nhiều khác biệt. Một dây dẫn kim loại chứa đầy các electron có thể tự do đi lang thang xung quanh toàn bộ mạch theo các hướng ngẫu nhiên, và chúng làm được, đơn giản vì chúng ấm. Mọi thứ trong mạch của chúng ta tạo ra sóng trong biển electron này và những sóng này lan truyền với tốc độ ánh sáng ¹ . Ở các dòng điện chúng ta thường gặp trong các mạch, hầu hết các chuyển động của điện tử là do nhiễu nhiệt.

Vì vậy, bây giờ chúng ta có thể trả lời các câu hỏi:

Làm thế nào nhanh chóng để thay đổi trong lĩnh vực điện tuyên truyền? Ở tốc độ ánh sáng trong môi trường mà chúng đang lan truyền. Đối với hầu hết các loại cáp, đây là vùng lân cận từ 60% đến 90% tốc độ ánh sáng trong chân không.

Làm thế nào nhanh chóng mang điện tích di chuyển? Vận tốc của các hạt mang điện là ngẫu nhiên. Nếu bạn lấy trung bình của tất cả các vận tốc này, bạn có thể nhận được một số vận tốc phụ thuộc vào mật độ hạt tải điện và dòng điện và diện tích mặt cắt của dây dẫn, và nó thường nhỏ hơn vài mm mỗi giây trong một dây đồng. Trên đó, tổn thất điện trở trở nên cao trong các kim loại thông thường và mọi người có xu hướng làm cho dây lớn hơn thay vì buộc các điện tích di chuyển nhanh hơn.

Đọc thêm: Tốc độ dòng điện của Bill Beaty

^{1: Tốc độ của ánh sáng phụ thuộc vào vật liệu mà ánh sáng truyền đi, giống như với âm thanh. Xem tốc độ truyền sóng .}

Đây thực sự là một câu hỏi vật lý nhiều hơn một câu hỏi điện tử ... Lý do là các kỹ sư điện và điện tử hiếm khi (nếu có) xem xét các tính toán hạ nguyên tử như vậy. Thực tế là các electron đang chuyển động hoàn toàn là điều thực sự quan trọng, chúng di chuyển nhanh như thế nào ít ảnh hưởng đến mạch điện. Điều có thể hữu ích cho kỹ sư là biết điện thế (điện áp) có thể thay đổi nhanh như thế nào vì điều này sẽ quyết định việc truyền dữ liệu tối đa trên dây (tốc độ dây) có liên quan đến điện trở, điện dung và độ tự cảm của sóng mang điện tích, trong so nhung cai khac. Điều này cũng liên quan đến tốc độ lan truyền sóng được thảo luận trong một số câu trả lời khác. Đây là hai vấn đề hoàn toàn khác nhau ...

Tổng quan về điện

Để bắt đầu, "điện" không chảy. Điện là biểu hiện vật lý của dòng điện tích. Mặc dù thuật ngữ này áp dụng cho phổ hiện tượng rộng, nhưng nó thường được liên kết nhất với sự chuyển động (kích thích) của các điện tử - các hạt hạ nguyên tử tích điện âm. Khi các nguyên tố nhất định được gộp, các electron có thể di chuyển tự do qua lớp ngoài cùng của đám mây điện tử từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Một dây dẫn dễ dàng cho phép dòng điện tử, trong khi một chất cách điện hạn chế nó. Chất bán dẫn (như silicon) có độ dẫn điện có thể kiểm soát, khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị điện tử hiện đại.

Như bạn có thể biết, dòng điện được đo bằng ampe (ampe). Đây thực sự là một phép đo xem có bao nhiêu electron đang di chuyển qua một điểm trong một giây:

1 Ampe = 1 Coulomb mỗi giây = 6.241509324x10 ^ 18 Electron mỗi giây

Chừng nào có điện áp (điện thế) hiện diện trên một dây dẫn, dòng điện (dây, điện trở, động cơ, v.v.) sẽ chảy. Điện áp là phép đo điện thế giữa hai điểm, do đó, có điện áp cao hơn sẽ cho phép dòng điện cao hơn, nghĩa là sự chuyển động của nhiều electron hơn qua một điểm trên giây.

Tốc độ điện tử

Tất nhiên, tốc độ nhanh được biết đến là tốc độ ánh sáng: 3 * 10 ^ 8 m / s. Tuy nhiên, các điện tử thường không di chuyển bất cứ nơi nào gần tốc độ này. Trên thực tế, bạn sẽ ngạc nhiên khi biết họ thực sự di chuyển chậm như thế nào.

Tốc độ thực tế của electron được gọi là vận tốc trôi . Khi một dòng điện chạy qua, các electron không thực sự di chuyển theo một đường thẳng qua một sợi dây, mà là sự lắc lư xung quanh qua các nguyên tử. Tốc độ trung bình thực tế của dòng điện tử tỷ lệ thuận với dòng điện sử dụng công thức sau:

v = I / (nAq) = hiện tại / (mật độ sóng mang * diện tích mặt cắt sóng mang * phí vận chuyển)

Ví dụ này được lấy từ Wikepedia , vì tôi không muốn tự mình tìm kiếm các con số ...

Xét một dòng điện 3 chiều chạy qua dây đồng có đường kính 1mm. Đồng có mật độ 8,5 * 10 ^ 25 electron / m ^ 3 và điện tích của một electron là -1,6 * 10 ^ (- 19) Coulomb. Dây có diện tích mặt cắt là 7,85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2. Do đó, vận tốc trôi sẽ là:

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

v = -0.00028 m / s

Lưu ý vận tốc âm, ngụ ý rằng dòng điện thực sự chảy theo hướng ngược lại thường nghĩ. Bên cạnh đó, điều duy nhất cần chú ý là việc này thực sự chậm đến mức nào. Dòng điện 3 ampe không phải là nhỏ, và dây đồng là một dây dẫn tuyệt vời! Trên thực tế, điện trở trong hạt mang điện càng cao thì vận tốc sẽ càng nhanh. Điều này tương tự như cách các cài đặt khác nhau trên đầu vòi hoa sen sẽ khiến cùng một áp lực nước chảy ra khỏi vòi với tốc độ khác nhau. Lỗ càng nhỏ thì nước chảy ra càng nhanh!

Ý thức về điều này

Nếu các electron di chuyển chậm như vậy thì làm sao có thể truyền dữ liệu nhanh như vậy? Hoặc thậm chí, làm thế nào một công tắc đèn có thể điều khiển ánh sáng ngay lập tức từ rất xa? Điều này là do không có một điện tử duy nhất phải chảy từ điểm này sang điểm khác để mọi thứ hoạt động. Trên thực tế, có rất nhiều electron tự do (số lượng phụ thuộc vào cấu tạo nguyên tố của vật liệu mang) ở mọi điểm của mạch tại mọi thời điểm di chuyển ngay khi tiềm năng (điện áp) đủ lớn được áp dụng.

Hãy nghĩ về nước trong một đường ống. Nếu không có nước trong đường ống để bắt đầu, sẽ mất một thời gian để nước đến vòi khi vòi được bật. Tuy nhiên, trong một ngôi nhà, cần phải có nước ở mọi điểm của đường ống, vì vậy nước sẽ chảy ra khỏi vòi ngay khi được bật. Nó không phải đi từ nguồn nước đến vòi vì nó đã ở trong đường ống, chỉ chờ tiềm năng để đẩy nó qua. Nó cũng giống với một dây: đã có rất nhiều electron trong dây, chỉ chờ để được đẩy qua bởi sự hiện diện của điện thế. Tốc độ cần thiết để một electron chuyển từ điểm này sang dây khác là hoàn toàn không liên quan.

Mặt khác, tốc độ truyền dữ liệu qua một phương tiện vật lý rất quan trọng và có tối đa về mặt lý thuyết, như đã thảo luận trong câu hỏi và câu trả lời tuyệt vời này vì vậy tôi sẽ không tham gia vào đó.

Các điện tử đang đánh lừa bạn. Mặc kệ họ. Dù sao họ cũng đi sai hướng. Mọi người thích xây dựng các mô hình hoạt hình nhỏ cho thấy chúng di chuyển xung quanh - đó là sự thật và quan sát rằng giao tiếp điện tử gần như ngay lập tức - đúng và kết luận rằng các electron di chuyển gần như tức thời - đó là sai.

1. Dòng điện chạy nhanh như thế nào?

   Có hai cách giải thích: "các electron di chuyển nhanh như thế nào?" và "tín hiệu điện tử truyền đi nhanh như thế nào?"

   Kurt đã trả lời "các electron di chuyển nhanh như thế nào?" với vận tốc trôi . Tuy nhiên, tín hiệu điện tử được xác định bởi sóng điện từ truyền qua vật liệu với sự hỗ trợ của các hạt mang điện. Tín hiệu lan truyền ở một số phần của tốc độ ánh sáng, bị ảnh hưởng bởi các thuộc tính của đường truyền .

   Điều này áp đặt những hạn chế thực sự trên các hệ thống tốc độ cao. Trong thực tế, phải mất khoảng một nano giây để tín hiệu truyền dọc theo 30cm PCB. Kết quả là có độ trễ tối thiểu giữa các bộ phận của máy tính.

   Độ tự cảm dòng và điện dung giới hạn mức độ "sắc nét" mà bạn có thể tạo ra một cạnh và gửi nó xuống một dòng. Nó sẽ bị lem ra về phía hình sin.

   Lưu ý rằng lượng dữ liệu bạn có thể đặt qua một sóng mang vẫn khác nhau, bị chi phối bởi tín hiệu của nó với tỷ lệ nhiễu. Tốc độ lan truyền xác định độ trễ tối thiểu, không phải băng thông.

2. Là tốc độ của một điện tử khác nhau khi nói một điện trở so với trong một dây?

3. Có vấn đề gì không?

   Từ trên, chúng ta biết rằng câu trả lời là "có" và "không", đối với tốc độ của các điện tử.

   Tốc độ truyền sóng bị ảnh hưởng bởi điện dung, độ tự cảm và hằng số điện môi của cả vật liệu bạn truyền qua và bất kỳ chất cách điện gần đó đến các mặt phẳng. Do đó, tín hiệu sẽ lan truyền ở tốc độ rất khác thông qua một điện trở so với dây, vì nó được làm từ một vật liệu khác và đứng ngoài bảng.

4. Hay những tác động của electron là điều quan trọng duy nhất, với mức độ trừu tượng thấp hơn không hữu ích trong thực tế?

Hầu hết thời gian, bạn không phải lo lắng về điện tử. Họ tham gia trực tiếp vào các ống tia âm cực, màn hình huỳnh quang chân không và "van" nhiệt.

Điều này cũng đúng với chất bán dẫn, trong đó vật lý cứng và đôi khi phản trực giác, nhưng kiến ​​thức cơ bản về cách sử dụng bóng bán dẫn, FET hoặc diode trong mạch đơn giản hơn nhiều.

Hãy xem xét một dòng domino - đẩy một cái ở cuối này và sự xáo trộn đi đến đầu kia. Tốc độ của các mảnh riêng lẻ và nhiễu loạn hoặc sóng phía trước rất khác nhau và không có mảnh riêng lẻ nào đi từ đây đến đó.

Có một số ý tưởng là phụ thuộc

• Làm thế nào nhanh chóng các điện tử di chuyển?
• Làm thế nào nhanh chóng các electron trôi khi một dòng chảy?
• tín hiệu truyền dọc theo dây đồng nhanh như thế nào

Bạn có thể liên hệ điều này với sự tương tự ống nước cũ

• Các phân tử H2O luôn cười đùa trong trạng thái lỏng (hoặc bất kỳ trạng thái nào trên 0 Kelvin?)
• Các phân tử H2O trong ống vòi cũng từ từ trôi từ vòi đến vòi
• Khi bạn bật vòi, sóng áp suất di chuyển nhanh hơn nhiều so với tốc độ trôi.

Các câu trả lời thực tế cho các điện tử là

• Đừng biết, khá nhanh. 2 x 10 ^ 6 m / s? ( Ref †)
• Một giá trị điển hình có thể là 1 mét mỗi giờ.
• Một phần của tốc độ ánh sáng. ( Ref ‡)

_{Đối với một điện tử trong một quỹ đạo cụ thể, có thể khác rất nhiều đối với các điện tử "tự do" bằng đồng :-).
Đối với tín hiệu trong nước muối, có thể khác rất nhiều đối với đồng :-)}

Một khía cạnh khác của điều này:

Trước khi bất cứ ai có thể trả lời câu hỏi OP, trước tiên chúng ta phải định nghĩa từ "Điện". Khi các electron chảy, đó có phải là "dòng điện?" Không và có! Sách giáo khoa khác nhau mâu thuẫn với nhau. Không có câu trả lời đơn giản mà các chuyên gia có thể đồng ý.

Vật lý nói rằng Số lượng điện được định nghĩa là coulomb; như phí. (Xem Sổ tay CRC chẳng hạn. Hoặc NIST hoặc tiêu chuẩn MKS SI cho các đơn vị vật lý.) Theo định nghĩa về "điện" này, chúng tôi sẽ nói rằng electron mang theo một lượng điện nhỏ khi nó di chuyển dọc. Trong kim loại, dòng điện, dòng điện, là các electron trôi chậm.

Tại sao điều này là một vấn đề? Đơn giản: hầu hết các sách giáo khoa phi vật lý hoàn toàn không đồng ý. Thay vào đó, họ tuyên bố rằng "điện" có nghĩa là "dòng điện tử" hoặc dòng điện. Đối với họ, "điện" không phải là coulomb, thay vào đó là tốc độ dòng chảy; các ampe Đối với họ, bất cứ khi nào dòng chảy dừng lại, "điện" đã biến mất.

Nhưng đối với các nhà vật lý, khi dòng chảy dừng lại, dòng điện chỉ không di chuyển trong dây dẫn, vì mật độ của các sóng mang không thay đổi khi ampe thay đổi. Đối với các nhà vật lý, tất cả các dây đã đầy điện; luôn chứa một "biển điện tử;" các mạng di động của tất cả các kim loại. Nhưng đối với sách giáo khoa phi vật lý, dây giống như những ống rỗng, nơi "điện" phóng to với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.

Thế thì điện là gì? Các tiêu chuẩn vật lý (MKS, quy ước tiêu chuẩn SI) xác định rõ ràng điện. Nhưng sách học của chúng tôi bỏ qua điều này, hoặc họ âm thầm giả vờ rằng các tiêu chuẩn vật lý có thể được thay đổi như mong muốn. Thay vào đó, tất cả các sách giáo khoa của trường đều đồng ý định nghĩa "điện" theo một cách rất khác: không phải là số lượng điện tích, mà là chuyển động chảy của điện tích.

Thế thì điện là gì? (Hay nói một cách dễ hiểu hơn là điện ... là dòng điện? Và bất cứ khi nào điện bắt đầu chảy, chúng ta có gọi dòng điện này bằng tên "... điện?")

:)

Sự điên rồ này thậm chí còn lây nhiễm ngôn ngữ kỹ thuật. Các nhà vật lý nói rằng các electron là chất mang điện tích trong kim loại. Các kỹ sư thay vì gọi họ là ... người vận chuyển hiện tại? Vâng. Kiểm tra bất kỳ văn bản kỹ thuật đại học. Các nhà vật lý biết về bảo tồn điện tích. Đó là một luật cơ bản. Nhưng các kỹ sư của chúng tôi tìm hiểu về ... Bảo tồn hiện tại?! Chúng tôi được dạy rằng hiện tại là "thứ" chảy qua dây dẫn. Sách giáo khoa EE đầy rẫy với cụm từ "dòng chảy", và hiếm khi có bao giờ đề cập đến phiên bản chính xác, "dòng chảy phí".

Giải pháp truyền thống cho các vấn đề như vậy đã được biết đến: phát triển các tiêu chuẩn và định nghĩa các thuật ngữ kỹ thuật hẹp. Sau đó cẩn thận tuân thủ các tiêu chuẩn ngôn ngữ. Đừng sử dụng các định nghĩa phổ biến, thay vào đó chỉ sử dụng thuật ngữ khoa học hẹp. Điều này cắt qua tất cả sương mù và BS và nhầm lẫn. Tuy nhiên, trong trường hợp này sẽ có một trận chiến khó khăn, vì sử dụng các tiêu chuẩn vật lý có nghĩa là hàng ngàn sách giáo khoa khoa học / điện tử / kỹ sư phi vật lý và các thế hệ chuyên gia đã sai theo cách cơ bản. Do thường xuyên sử dụng sai thuật ngữ khoa học cơ bản, nhiều thế hệ sinh viên giờ đây không biết "điện" thực sự là gì, và vì vậy phải liên tục hỏi liệu nó có chảy chậm cùng với Drift Velocity (dòng điện tích,

Cắt BS nhiều hơn: dòng điện không chảy, thay vào đó chúng lan truyền. Khi chúng ta ấn vào một đầu của thanh, chuyển động không chảy. Thay vào đó nó lan truyền như một làn sóng. Điều tương tự với dòng điện trong mạch: dòng điện tích có, nhưng sự truyền sóng của dòng điện. Sự lan truyền gần ánh sáng của dòng điện cũng giống như sóng EM.

Và cuối cùng, hãy tự hỏi mình câu hỏi cực kỳ quan trọng này: trong sông suối, "dòng chảy" có chảy theo không? Hay là thứ thực sự được gọi là "nước?"