القائمة الرئيسية

الصفحات

آخر المواضيع

تعتمد سرعة الكهرباء حقًا على ما تعنيه بكلمة "كهرباء". هذه الكلمة عامة جدًا وتعني أساسًا "كل ما يتعلق بالشحنة الكهربائية". سأفترض أننا نشير إلى تيار شحنة كهربائية يمر عبر سلك معدني ، مثل سلك الطاقة للمصباح. في حالة التيارات الكهربائية التي تمر عبر الأسلاك المعدنية ، توجد ثلاث سرعات مختلفة ، وكلها ذات مغزى ماديًا:


  • سرعة الإلكترون الفردية

  • سرعة انجراف الإلكترون

  • سرعة الإشارة


سرعة الكهرباء

سرعة الكهرباء

من أجل فهم كل من هذه السرعات ولماذا تختلف جميعها ومع ذلك فهي ذات مغزى ماديًا ، نحتاج إلى فهم أساسيات التيارات الكهربائية. تتشكل التيارات الكهربائية في الأسلاك المعدنية بواسطة إلكترونات حرة تتحرك. في سياق التيارات الكهربائية النموذجية في الأسلاك المعدنية ، يمكن اعتبار الإلكترونات الحرة بمثابة كرات صغيرة ترتد في شبكة من الذرات الثابتة والثقيلة التي تشكل السلك المعدني. 


الإلكترونات هي في الحقيقة كيانات كمية ، لكن الصورة الكمومية الأكثر دقة ليست ضرورية في هذا التفسير. (عندما تضيف تأثيرات كمومية ، تصبح سرعة الإلكترون الفردية "سرعة فيرمي"). ترتبط الإلكترونات غير الحرة ، أو إلكترونات التكافؤ ، بإحكام شديد بالذرات لتساهم في التيار الكهربائي وبالتالي يمكن تجاهلها في هذه الصورة . كل إلكترون حر في السلك المعدني يطير باستمرار في خط مستقيم تحت زخمه الخاص ، ويصطدم بذرة ، ويغير اتجاهه بسبب الاصطدام ، ويستمر في خط مستقيم مرة أخرى حتى التصادم التالي. إذا تُرك سلك معدني لنفسه ، فإن الإلكترونات الحرة بالداخل تطير باستمرار وتصطدم بالذرات بطريقة عشوائية. بالميكروسكوب ، نطلق على الحركة العشوائية للجسيمات الصغيرة "حرارة". السرعة الفعلية للإلكترون الفردي هي مقدار النانومتر في الثانية التي يقطعها الإلكترون أثناء السير في خط مستقيم بين الاصطدامات. السلك الذي يُترك لنفسه لا يحمل أي إشارة كهربائية ، لذا فإن سرعة الإلكترون الفردية للإلكترونات المتحركة بشكل عشوائي هي مجرد وصف للحرارة في السلك وليس التيار الكهربائي.


الآن ، إذا قمت بتوصيل السلك ببطارية ، فقد قمت بتطبيق مجال كهربائي خارجي على السلك. يشير المجال الكهربائي في اتجاه واحد لأسفل على طول السلك. تشعر الإلكترونات الحرة في السلك بقوة من هذا المجال الكهربائي وتسرع في اتجاه المجال (في الاتجاه المعاكس ، في الواقع ، لأن الإلكترونات سالبة الشحنة). تستمر الإلكترونات في الاصطدام بالذرات ، مما يجعلها ترتد في كل مكان في اتجاهات مختلفة. لكن علاوة على هذه الحركة الحرارية العشوائية ، لديهم الآن صافي حركة مرتبة في الاتجاه المعاكس للمجال الكهربائي. يتكون التيار الكهربائي في السلك من الجزء المرتب من حركة الإلكترونات ، بينما لا يزال الجزء العشوائي من الحركة يشكل الحرارة في السلك. يؤدي المجال الكهربائي المطبق (مثل توصيل البطارية) إلى تدفق تيار كهربائي إلى أسفل السلك. متوسط ​​السرعة التي تتحرك بها الإلكترونات أسفل سلك هو ما نسميه "سرعة الانجراف".


على الرغم من أن الإلكترونات ، في المتوسط ​​، تنجرف إلى أسفل السلك بسرعة الانجراف ، فإن هذا لا يعني أن تأثيرات حركة الإلكترونات تنتقل بهذه السرعة. الإلكترونات ليست كرات صلبة حقًا. إنهم لا يتفاعلون مع بعضهم البعض عن طريق الطرق حرفيًا على أسطح بعضهم البعض. بدلا من ذلك ، تتفاعل الإلكترونات من خلال المجال الكهرومغناطيسي. 


كلما اقترب إلكترونان من بعضهما البعض ، زادت قوة صدهما لبعضهما البعض من خلال المجالات الكهرومغناطيسية. الشيء المثير للاهتمام هو أنه عندما يتحرك الإلكترون ، فإن مجاله يتحرك معه ، بحيث يمكن للإلكترون دفع إلكترون آخر إلى أسفل السلك عبر مجاله قبل وقت طويل من الوصول فعليًا إلى نفس الموقع في الفضاء مثل هذا الإلكترون. نتيجة لذلك ، يمكن للتأثيرات الكهرومغناطيسية أن تنتقل عبر سلك معدني أسرع بكثير من أي إلكترون فردي. هذه "التأثيرات" هي تقلبات في المجال الكهرومغناطيسي حيث تقترن بالإلكترونات وتنتشر عبر السلك. نظرًا لأن الطاقة والمعلومات يتم نقلها من خلال التقلبات في المجال الكهرومغناطيسي ، فإن الطاقة والمعلومات تنتقل أيضًا بشكل أسرع عبر سلك كهربائي أكثر من أي إلكترون فردي.


تسمى السرعة التي تنتقل بها التأثيرات الكهرومغناطيسية إلى أسفل السلك "سرعة الإشارة" أو "سرعة الموجة" أو "سرعة المجموعة". لاحظ أن بعض الكتب تلمح إلى أن سرعة الإشارة تصف تأثير موجة كهرومغناطيسية بحتة. يمكن أن يكون هذا التلميح مضللاً. إذا كانت الإشارة التي تنتقل عبر كابل كهربائي عبارة عن موجة كهرومغناطيسية معزولة ، فإن الإشارة ستنتقل بسرعة الضوء في الفراغ ج. لكنها لا تفعل ذلك. بدلاً من ذلك ، تتضمن الإشارة التي تنتقل عبر كابل كهربائي تفاعلًا بين تقلبات المجال الكهرومغناطيسي (الموجة) والإلكترونات. لهذا السبب ، تكون سرعة الإشارة أسرع بكثير من سرعة انجراف الإلكترون ولكنها أبطأ من سرعة الضوء في الفراغ. بشكل عام ، تكون سرعة الإشارة قريبة إلى حد ما من سرعة الضوء في الفراغ. لاحظ أن "سرعة الإشارة" التي تمت مناقشتها هنا تصف السرعة الفيزيائية للتأثيرات الكهرومغناطيسية التي تنتقل عبر السلك. في المقابل ، غالبًا ما يستخدم المهندسون عبارة "سرعة الإشارة" بطريقة غير علمية عندما يقصدون حقًا "معدل البت". في حين أن معدل البت للإشارة الرقمية التي تنتقل عبر الشبكة يعتمد على سرعة الإشارة المادية في الأسلاك ، فإنه يعتمد أيضًا على مدى قدرة أجهزة الكمبيوتر في الشبكة على توجيه الإشارات عبر الشبكة.


تأمل في هذا القياس. طابور طويل من الناس ينتظرون لدخول المطعم. يتململ كل شخص بعصبية في مكانه في الطابور. ينفد صبر الشخص الموجود في نهاية السطر ويدفع الشخص أمامه. بدوره ، عندما يتلقى كل شخص في الصف دفعة من الشخص الذي يقف خلفه ، فإنه يدفع الشخص أمامه. لذلك سيتم تمرير الدفعة من شخص لآخر ، إلى الأمام عبر الخط. ستصل الدفعة إلى أبواب المطعم قبل وقت طويل من وصول آخر شخص في الصف إلى الأبواب. في هذا القياس ، يمثل الناس الإلكترونات ، وتمثل أذرعهم المجال الكهرومغناطيسي ، وتمثل الشق التقلب أو الموجة في المجال الكهرومغناطيسي. تمثل السرعة التي يتململ بها كل شخص سرعة الإلكترون الفردية ، والسرعة التي يتقدم بها كل شخص على حدة عبر الخط تمثل سرعة انجراف الإلكترون ، والسرعة التي تنتقل بها الحركة عبر الخط تمثل سرعة الإشارة. بناءً على هذا التشبيه البسيط ، نتوقع أن تكون سرعة الإشارة سريعة جدًا ، وأن تكون السرعة الفردية سريعة إلى حد ما ، وأن تكون سرعة الانجراف بطيئة. (لاحظ أنه يوجد في الفيزياء أيضًا سرعة أخرى ذات صلة في هذا السياق تسمى "سرعة الطور". تعد سرعة الطور أداة رياضية أكثر من كونها حقيقة فيزيائية ، لذلك لا أعتقد أن الأمر يستحق المناقشة هنا).


عادةً ما تكون سرعة الإلكترون الفردية في سلك معدني ملايين الكيلومترات في الساعة. على النقيض من ذلك ، فإن سرعة الانجراف عادة ما تكون بضعة أمتار فقط في الساعة بينما تبلغ سرعة الإشارة من مائة مليون إلى تريليون كيلومتر في الساعة. بشكل عام ، سرعة الإشارة قريبة إلى حد ما من سرعة الضوء في الفراغ ، وسرعة الإلكترون الفردية أبطأ بحوالي 100 مرة من سرعة الإشارة ، وسرعة انجراف الإلكترون بطيئة مثل الحلزون.

هل اعجبك الموضوع :

تعليقات

محتويات