個々の電子の速度は毎秒数百万メートルの規模ですが、平均またはドリフト速度は毎秒百万メートルよりはるかに小さくなります。信号速度は、DC 電流のドリフト速度の 100 分の 1 から 1000 分の 1 です。
どうやら、ほとんど同じ概念がごちゃごちゃになっていて、導体内の電子は光と同じ速度で移動すると信じるようになった人もいるようです。地球から火星の検出器に同時にレーザー光線を発射し、地球のバッテリーと火星の電球を接続する数百万メートルの長さのワイヤーに電気を通すとしたら、検出器と電球は同時に点灯しますか?
太陽から放射された光と導体中の電子は同じ速度で移動しますか? (画像クレジット:Pixabay.com)
電子が光速で移動できない理由
電子と光子の間のこの競争を終わらせる方法は 3 つしかありません。電子が勝つか、光子が勝つか、または — 最も退屈な可能性として — 競争が引き分けで終わるかのいずれかです。明らかに、最初の可能性は見落とさなければなりません。それは物理的に不可能であり、光より速く移動できるものはありません。したがって、光子が勝つでしょうか？はいの場合、なぜレースは引き分けにならないのですか?
電子は導体の中はおろか、真空の中では競争に勝つことができません。電子は質量があるという単純な理由で、光と同じ速度で移動することはできません。光は質量がないため、宇宙で最も速いものです。荷物を運ぶことはなく、動きを妨げる慣性はまったくありません。
光は質量がないため、宇宙で最も速いものです。 (写真提供:Pexels)
電子の質量は笑えるほど小さいかもしれませんが、粒子が 3 億 m/s で移動するのを防ぐには十分です。実際、光子を無視すると、質量がないため、電子はこれまでに発見された中で最も軽い粒子でさえありません。そのタイトルはニュートリノに属します。電子はニュートリノの約 500,000 倍の質量があります。
速度 電気の
個々の電子速度
銅のような金属は、自由電子が豊富にあるため伝導します。原子の原子価または最外殻に存在する電子だけが、原子核に近いため、原子核に引き付けられることが最も少ない傾向があり、そのため、その引っ張りから逃げるか解放することができます。金属をバッテリーに接続すると、生成された電界が自由電子に力を加え、マイナス端子からプラス端子に向かって押し出します。電気を構成するのは、この電荷の流れです。
ただし、「流れ」という名詞は非常に誤解を招きやすいです。電気は、正端子に向かって引き寄せられる安定した連続的な電子の流れによって特徴付けられるわけではありません。正確な定義は単に「動き」を引用しています。電子または電荷の完全にランダムででたらめな動き。電荷は導体内で文字通り混乱し、絶え間なくつまずき、互いに衝突するだけでなく、端子に向かう途中で金属の残りの原子にも衝突します。この定義はまた、抵抗の存在を非常にうまく説明しています:衝突は熱を発生させ、その動きを妨げ、それによって電流の値を減少させます.
個人の速度 したがって、電子は衝突間の速度です。電子がおそらく 1 ナノメートル移動するのにかかる時間は?個々の速度は、毎秒数百万メートルのスケールで測定されます。ただし、それらの動きはランダムであるため、すべての電子は異なる速度で疾走します。
平均速度またはドリフト速度
計算が面倒になるため、不確実性は混乱を招きます。この変動性を取り除くには、衝突の前後のすべての速度の平均を取る必要があります。平均速度はドリフト速度として知られており、電気が移動する速度と見なされます。
一部の電子は非常に速く移動しますが、他の電子はそうではありません。平均が毎秒 100 万メートルをはるかに下回ることは明らかです。しかし、驚くべきことは、速度を平均化すると、左側の小数点が想像もできなかった距離に飛び出すことです。 10A の電流を流す断面積 3.00 x 10-6 m2 の銅線を通る電子のドリフト速度は、約 2.5 x 10-4 m/s、つまり 1 秒あたり 4 分の 1 です!
ドリフト速度は、DC 電圧が増加すると増加しますが、AC 電圧が減少または増加しても一定のままであり、常に無視できます。 AC 電流のドリフト速度は、DC 電流のドリフト速度の 100 分の 1 から 1000 分の 1 です。前述の DC 電流を運ぶ銅線では 250 マイクロメートル/秒でしたが、AC 電流を運ぶ同じ銅線では 0.25 マイクロメートル/秒になります。
電子が逃げる接点やスイッチ自体でさえ、0.25マイクロメートルより長くはありません。 AC電流を構成する電子は、DC電流を構成する電子とは異なり、直線的に前進するのではなく、端子間を交互に移動することに注意してください。それらが毎秒 0.25 マイクロメートルで交互に繰り返される場合、逆説的に言えば、それらはまったく回路に入らないのでしょうか?
信号速度
最後に、個々の電子の速度と電子が放射する電磁波の速度を混同しているため、電気が光の速度で移動すると信じている人もいます。ただし、電子は質量を持つ不可分な粒子であるため、光の速度で移動することはできませんが、その効果は...まあ、ほぼ.
(写真提供:Pixabay)
電磁波が光速で伝播するのは事実です。実際、光自体は電磁波です。ただし、電磁波の速度は、それが移動する媒体の特性によって異なります。電子が放射する波は、真空中を毎秒 3 億メートルで移動しますが、構造または形状が許す限り、導体内を同じ速度で移動します。
波、または信号と呼ばれるものは、電子が「悪い」導体または「良い」導体のどちらを移動しているかに応じて、光の速度の 50% ～ 90% の間で移動する可能性があります。電子が文字通りドリフトして回路を完成する場合、寝室のランプはどのようにしてほぼ瞬時に点灯するのでしょうか?電磁波や信号の影響は、光の速さではなく、効果的に瞬間的であると認識できるほどの速さで伝播するからです。このため、レースが引き分けで終わることもありません。光子は常に勝利を収めます。
次のように考えてみてください。不安そうに自分の場所でそわそわしている恥知らずでせっかちな人々の列を想像してみてください。突然、キューの最後の人が前の人を押すことを決定し、その人が前の人を押します。プッシュまたは信号は瞬時に「移動」しますが、人または電子自体は移動しません。人々がドアに入るために列を作っていた場合、伝播されたプッシュは明らかに最初にドアに到達します。ただし、最初のプッシャーはまだはるかに遅れています。人々は、個々の電子がどのように途方もない速度で疾走するのか、心配そうにそわそわし続けました。ただし、キューは平均して鈍いペースで進みます。
