Как быстро идет электричество?

Я запутываюсь на низкоуровневой физике электричества время от времени. Он появился в « Каким образом электричество выдает схему , «и я не понимаю его полностью.

Как быстро проходит электричество? Является ли скорость электрона разным, например, резистором, чем в проводе? Это имеет значение? Или эффективны эффекты электрона, только что более низкие уровни абстракции не полезны 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 некоторые интересные ответы на вековой вопрос.

Бонусные баллы за:

  • Идентификация и устранение распространенных заблуждений
  • Объяснение в том, что кто-то с дипломом о высшей школе мог понять, не слишком упростив его, что его неправильный
37 голосов | спросил travisbartley 9 AM00000060000001331 2013, 06:15:13

6 ответов


24

Как быстро происходит поток электроэнергии? Это хороший вопрос, потому что он кажется довольно простым вопросом, но обычно он указывает на некоторые основные заблуждения. Первая трудность в ответе на вопрос - знать, что такое электричество? Вы имеете в виду:

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

Обычно люди, задающие этот вопрос, действительно заботятся о первом, но думают о последнем. Однако, не имея четкого понимания разницы, их основополагающая озабоченность фактически не может быть решена без отступления и устранения основополагающих заблуждений, которые приводят к вопросу.

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

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

Некоторые люди не позволят этому идти до тех пор, пока движение молекул не будет объяснено, хотя обычно это не относится к их проблемам. Итак, вот ответ: молекулы летают во всех случайных направлениях, все время. Они летают, потому что у них отличная от нуля температура. Некоторые из них очень быстры. Некоторые из них очень медленные. Они постоянно сталкиваются друг с другом. Это очень случайно.

Когда вы кричите, ваш вокальный канал сжимает (и редкими, как ваши голосовые связки вибрируют) часть воздуха. Молекулы в этой сжатой области хотят двигаться в область с меньшим давлением, поэтому они и делают. Но теперь в этом близлежащем регионе слишком много воздуха и немного сжато, чем воздух вокруг него, поэтому сжатая область немного расширяется. Эта волна сжатия движется по воздуху со скоростью звука.

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

Ситуация с электричеством не сильно отличается. Металлический проводник заполнен электронами, которые свободно блуждают по всему кругу в случайных направлениях, и они делают это просто потому, что они теплые. Вещи в наших схемах создают волны в этом море электронов, и эти волны распространяются со скоростью света 1 . При токах, которые мы обычно встречаем в схемах, большая часть движения электронов обусловлена ​​тепловым шумом.

Итак, теперь мы можем ответить на вопросы:

Как быстро распространяются изменения в электрических полях? При скорости света в среде, в которой они распространяются. Для большинства кабелей это составляет от 60% до 90% скорости света в вакууме.

Как быстро движутся носители заряда? Скорости отдельных носителей заряда являются случайными. Если вы усредняете все эти скорости, вы можете получить некоторую скорость, которая зависит от плотности носителей заряда, а также от тока и площади поперечного сечения проводника, и она обычно меньше, чемнесколько миллиметров в секунду в медной проволоке. Выше этого, резистивные потери становятся высокими в обычных металлах, и люди стремятся сделать провода больше, а не заставлять заряды двигаться быстрее.

Дополнительная литература: Скорость потока электроэнергии Билла Бити

1: Скорость света зависит от материала, в котором распространяется свет, так же как и со звуком. См. Скорость распространения волны .

ответил Phil Frost 9 PM00000040000005731 2013, 16:16:57
25

Это скорее физический вопрос, чем электронный ... Причина, по которой электрические и электроники редко (если вообще когда-либо) рассматривают такие субатомные вычисления. Тот факт, что электроны движутся вообще, действительно имеет значение, насколько быстро они движутся, это мало влияет на схему. Что может быть полезно для инженера, это знать, как быстро может измениться электрический потенциал (напряжение), поскольку это решит максимальную передачу данных на провод (скорость провода), который связан с сопротивлением, емкостью и индуктивностью носителя заряда, среди прочего. Это также связано со скоростью распространения волны, обсуждаемой в некоторых других ответах. Это две совершенно разные проблемы ...


Обзор электроэнергии

Чтобы начать, «электричество» не течет. Электричество - это физическое проявление электрического потока

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

1 Amp = 1 Кулонов в секунду = 6,241509324x10 ^ 18 Электронов в секунду

Пока есть напряжение (потенциал), присутствующее на проводнике (ток, резистор, двигатель и т. д.), ток будет течь. Напряжение представляет собой измерение электрического потенциала между двумя точками, поэтому с более высоким напряжением будет обеспечиваться более высокий ток, т. Е. Движение большего количества электронов через точку в секунду.


Скорость электрона

Конечно, известная скорость голодания - это скорость света: 3 * 10 ^ 8 м /с. Однако электроны обычно не движутся нигде вблизи этой скорости. На самом деле, вы будете удивлены, узнав, как медленно они действительно движутся.

Фактическая скорость электрона известна как скорость дрейфа . Когда ток течет, электроны фактически не движутся по прямой, хотя проволока, но сотрясается вокруг атомов. Фактическая скорость электронного потока средняя пропорциональна току, используя следующую формулу:

v = I /(nAq) = ток /(плотность носителя * площадь поперечного сечения носителя * несущая способность)


Этот пример взят из Wikepedia , потому что я не хотел искать номера сами ...

Рассмотрим ток 3А, протекающий через медный провод диаметром 1 мм. Медь имеет плотность 8.5 * 10 ^ 25 электронов /м ^ 3 и 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 Кулонов /с) /(8.5 * 10 ^ 25 электронов /м ^ 3 * 7,85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2 * -1,6 * 10 ^ (- 19) Кулоны)

v = -0.00028 м /с

Обратите внимание на отрицательную скорость, подразумевая, что ток фактически протекает в противоположном направлении, как правило, думается. Кроме того, единственное, что нужно заметить, - это то, насколько медленно это происходит на самом деле. Ток 3 А не мал, а медный провод - отличный проводник! На самом деле, чем выше сопротивление в носителе заряда, тем быстрее будет скорость. Это похоже на то, как различные настройки на душевой головке будут вызывать одинаковое давление воды из крана на разных скоростях. Чем меньше отверстие, тем быстрее выйдет вода!


Смысл этого

Если электроны движутся так медленно, то как это происходитвозможно ли передавать данные так быстро? Или даже, как световой выключатель мгновенно контролирует свет так далеко? Это связано с тем, что нет единого электрона, который должен течь из одной точки цепи в другую для чего-либо, чтобы работать. Фактически, во всех точках схемы есть всевозможные свободные электроны (количество зависит от элементарного состава материала носителя), которые движутся, как только применяется достаточно большой потенциал (напряжение).

Подумайте о воде в трубе. Если в трубе нет воды для начала, потребуется некоторое время, чтобы вода достигла крана, когда носик включен. Однако, в доме, в каждой точке трубы должно быть уже вода, поэтому вода вытекает из крана, как только она включается. Он не должен путешествовать от источника воды к крану, потому что он уже находится в трубе, просто ожидая возможности проталкивать его. То же самое происходит и с проводом: в проводнике уже столько электронов, что просто ждет, когда его подтолкнет наличие потенциала напряжения. Скорость, которую требуется для того, чтобы один электрон переместился из одной точки провода в другую, совершенно не имеет значения.

С другой стороны, скорость передачи данных через физическую среду важна и имеет теоретический максимум, как описано в этом замечательном

ответил Kurt E. Clothier 9 AM00000070000005031 2013, 07:09:50
5

Электроны вводят вас в заблуждение. Игнорируй их. В любом случае, они идут в неправильном направлении. Людям нравится строить маленькие анимационные модели, которые показывают, что они движутся вокруг - что верно, и наблюдайте, что электронное сообщение почти мгновенно - истинно, и заключают, что электроны движутся почти мгновенно - что ложно.

  1. Как быстро происходит поток электроэнергии?

    Существуют две возможные интерпретации: «насколько быстро движутся электроны?» и «как быстро проходит электронный сигнал?»

    Курт уже ответил: «Как быстро движутся электроны?» с скоростью дрейфа . Однако электронные сигналы определяются электромагнитной волной, распространяющейся через материал с помощью носителей заряда. Сигнал распространяется с некоторой долей скорости света, подверженной влиянию свойств линии передачи .

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

    Линейная индуктивность и емкость ограничивают, как «острый» вы можете сделать ребро и отправить его по линии. Он будет смазан к синусоидальной форме.

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

  2. Является ли скорость электрона разным, например, резистором, чем в проводе?

  3. Имеет ли значение?

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

    Скорость распространения волны зависит от емкости, индуктивности и диэлектрической проницаемости как материала, который вы распространяете, так и любых ближайших изоляторов к земным плоскостям. Поэтому сигнал будет распространяться с очень небольшой скоростью через резистор, чем провод, поскольку он выполнен из другого материала и выходит за борт.

  4. Или эффекты электрона являются единственно важными, а более низкие уровни абстракции не полезны на практике?

В большинстве случаев вам не нужно беспокоиться об электронах. Они участвуют непосредственно в электронно-лучевых трубах, вакуумных флуоресцентных дисплеях и термоэлектронных «клапанах».

Это справедливо и для полупроводников, где физика жесткая, а иногда и противоинтуитивная, но базовые знания о том, как использовать транзистор, полевой транзистор или диод в схеме, намного проще.

ответил pjc50 9 PM00000020000003131 2013, 14:19:31
3

Рассмотрим строку домино - нажмите на нее в конце и перемещение к другому. Скорости отдельных фигур, а также возмущения или волнового фронта очень разные, и никаких отдельных частей не перемещается отсюда до туда.

ответил JRobert 9 PM00000040000000731 2013, 16:39:07
1

Существует несколько идей, которые являются relvant

  • Как быстро движутся электроны?
  • Как быстро дрейфуют электроны, когда ток течет?
  • , как быстро сигнал распространяется вдоль медного провода

Вы можете связать это со старой аналогией воды в трубах

  • Молекулы H2O всегда смещаются в жидком состоянии (или в любом состоянии выше 0 Кельвина?)
  • Молекулы H2O в трубе шланга также медленно дрейфуют из крана в сопло
  • Когда вы включаете кран, волна давления движется намного быстрее, чем скорость дрейфа.

Фактические ответы для электронов

  • Не знаю, довольно быстро. 2 x 10 ^ 6 м /с? ( ref â €)
  • Типичное значение может составлять 1 метр в час.
  • Доля скорости света. ( ref â € ¡)

â Для электрона на определенной орбите, возможно, много отличается для «свободных» электронов в меди :-).
• Для сигнала в рассоле, возможно, много отличается для меди :-) Суб>

ответил RedGrittyBrick 9 PM00000070000004331 2013, 19:16:43
-1

Другой аспект этого:

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

Физика говорит, что количество электричества определяется как кулоны; как плата. (Например, в Руководстве по CRC или в NIST или в стандартах MKS SI для физических единиц). В соответствии с этим определением «электричество» мы бы сказали, что электрон несет в себе небольшое количество электричества с ним, когда он движется. В металлах текущее электричество, электрический ток, являются медленно дрейфующими электронами.

Почему это проблема? Простой: большинство нефизических учебников полностью не согласны. Вместо этого они заявляют, что «электричество» означает «поток электронов» или ток. Для них «электричество» - это не кулоны, а скорость потока; амперы. Для них, когда поток прекращается, «электричество» исчезло.

Но для физиков, когда поток прекращается, электричество просто сидит неподвижно в проводах, так как плотность носителей не изменяется при изменении ампер. Для физиков все провода уже полны электричества; всегда содержащий «электронное море»; мобильные носители всех металлов. Но для нефизических учебников провода похожи на пустые трубы, где «электричество» приближается к почти скорости света.

Что же такое электричество? Стандарты физики (МКС, конвенция стандартов СИ) четко определяют электричество. Но наши школьные книги игнорируют это, или они молча притворяются, что стандарты физики могут быть изменены по желанию. Вместо этого школьные учебники все соглашаются определять «электричество» совершенно по-другому: не как количество зарядов, а как текущее движение зарядов.

Что же такое электричество? (Или, что более увлекательно, это электричество ... поток электричества? И всякий раз, когда начинается электричество, мы называем этот поток названием «... электричество?»)

:)

Это безумие даже заражает инженерный язык. Физики говорят, что электроны являются носителями заряда в металлах. Инженеры вместо этого называют их ... текущими перевозчиками? Ага. Проверьте любой учебный текст университета. Физики знают о сохранении заряда. Это основной закон. Но мы, инженеры, узнаем о ... Сохранение тока?! Нам говорят, что ток - это «материал», который протекает через провода. Учебники ЕЕ изобилуют фразой «поток течения», и редко когда-либо упоминают правильную версию «поток заряда».

Традиционное решение таких проблем хорошо известно: разрабатывать стандарты и узко определять технические термины. Затем тщательно придерживайтесь этих языковых стандартов. Не используйте популярные определения, а используйте исключительно узкую научную терминологию. Это прорезает весь туман и БС и путаницу. Тем не менее, в этом случае было бы тяжелое сражение, поскольку использование физических стандартов означало бы, что тысячи нефизических наук /электроники /инженерных учебников и поколений экспертов ошибочны фундаментальным образом. Из-за их постоянного злоупотребления базовой научной терминологией многие поколения учеников теперь не имеют представления о том, что такое «электричество», и поэтому нужно постоянно спрашивать, медленно ли оно протекает вместе с скоростью дрейфа (поток заряда) или электричество масштабируется вдоль почти скорость света (распространение токов по цепям).

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 с токами в цепях: поток зарядов да, но волновое распространение токов. Скорости распространения токов вблизи света - это то же самое, что и электромагнитная волна.

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

ответил wbeaty 9 FebruaryEurope/MoscowbSun, 09 Feb 2014 16:56:43 +0400000000pmSun, 09 Feb 2014 16:56:43 +040014 2014, 16:56:43

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132