Seberapa cepat aliran listrik?

Saya bingung tentang fisika listrik tingkat rendah dari waktu ke waktu. Itu muncul di "Di mana cara tenaga listrik sirkuit ," dan saya tidak benar-benar mendapatkannya.

Seberapa cepat aliran listrik? Apakah kecepatan sebuah elektron berbeda di katakan sebagai resistor daripada di kabel? Apakah itu penting? Atau apakah efek elektron satu-satunya hal yang penting, dengan tingkat abstraksi yang lebih rendah tidak berguna dalam praktik?

Saya tahu sudah ada materi tentang topik ini, dan saya sudah membaca beberapa di antaranya. Saya pikir memiliki pertanyaan di situs ini mungkin menginspirasi beberapa jawaban menarik untuk pertanyaan kuno.

Poin bonus untuk:

• Mengidentifikasi dan membersihkan kesalahpahaman umum
• Menjelaskan dengan cara yang bisa dipahami seseorang dengan ijazah sekolah menengah, tanpa terlalu menyederhanakannya sehingga tidak benar

Seberapa cepat aliran listrik? Ini adalah pertanyaan yang bagus, karena sepertinya pertanyaan yang cukup sederhana, tetapi biasanya itu menunjukkan beberapa kesalahpahaman mendasar. Kesulitan pertama dalam menjawab pertanyaan adalah mengetahui, apa itu listrik? Maksud kamu:

1. Seberapa cepat perubahan dalam medan listrik merambat? atau...
2. Seberapa cepat pembawa muatan listrik bergerak?

Biasanya, orang yang mengajukan pertanyaan ini sebenarnya peduli dengan yang pertama, tetapi berpikir tentang yang terakhir. Namun, karena tidak memiliki pemahaman yang jelas tentang perbedaan tersebut, keprihatinan mendasar mereka sebenarnya tidak dapat diatasi tanpa mundur dan mengatasi kesalahpahaman mendasar yang mengarah pada pertanyaan.

Pahami ini: ada kekuatan, dan ada hal-hal yang mengirimkan kekuatan, dan mereka bukan hal yang sama. Ini sebuah contoh: Saya memegang satu ujung tali, dan Anda memegang ujung lainnya. Ketika saya ingin mendapatkan perhatian Anda, saya menarik tali. Ada tali, dan ada tarikan. Tarik menarik sebagai gelombang kekuatan di tali dengan kecepatan suara di tali. Tali itu sendiri akan bergerak dengan kecepatan lain.

Katakanlah saya memiliki dua menara pengintai, dan ketika saya melihat penjajah yang mendekat, saya berteriak ke menara lainnya. Suara akan bergerak sebagai gelombang di udara dengan kecepatan suara. Seberapa cepat molekul-molekul di udara bergerak? Apakah kamu peduli?

Beberapa orang tidak akan membiarkan ini pergi sampai gerakan molekul benar-benar dijelaskan, meskipun biasanya tidak relevan dengan masalah mereka. Jadi inilah jawabannya: molekul-molekul itu terbang ke segala arah yang acak, sepanjang waktu. Mereka terbang karena mereka memiliki suhu yang tidak nol. Beberapa sangat cepat. Beberapa sangat lambat. Mereka bertemu satu sama lain sepanjang waktu. Ini sangat acak.

Saat Anda berteriak, saluran vokal Anda menekan (dan jarang, saat pita suara Anda bergetar) beberapa udara. Molekul-molekul di daerah terkompresi ini ingin pindah ke daerah dengan tekanan lebih sedikit, jadi mereka melakukannya. Tapi sekarang wilayah terdekat ini memiliki terlalu banyak udara, dan sedikit lebih terkompresi daripada udara di sekitarnya, sehingga wilayah terkompresi melebar keluar sedikit lebih banyak. Gelombang kompresi ini bergerak di udara dengan kecepatan suara.

Semua ini terjadi ditumpangkan pada gerakan acak dari molekul yang disebutkan sebelumnya. Tidak mungkin bahwa molekul yang sama yang ada di saluran vokal Anda akan menjadi molekul yang bergetar di telinga pendengar. Jika Anda mengamati molekul individu, Anda akan mengamati mereka bergerak ke segala arah. Hanya jika Anda mengamati banyak dari mereka yang akan Anda perhatikan bahwa sedikit lebih berjalan satu arah dibandingkan yang lain. Memang benar untuk semua hal yang kita sebut "suara" bahwa gerakan acak dari molekul-molekul akibat kebisingan termal jauh lebih banyak daripada gerakannya karena suara. Ketika "suara" menjadi gerakan yang lebih relevan, kita cenderung menyebutnya bukan "suara" melainkan "ledakan".

Situasi dengan listrik tidak jauh berbeda. Sebuah konduktor logam penuh dengan elektron yang bebas berkeliaran di sekitar seluruh rangkaian dalam arah acak, dan mereka melakukannya, hanya karena mereka hangat. Benda-benda di sirkuit kita menghasilkan gelombang di lautan elektron ini, dan gelombang ini merambat dengan kecepatan cahaya ¹ . Pada arus yang biasanya kita temui di sirkuit, sebagian besar gerakan elektron disebabkan oleh noise termal.

Jadi sekarang kita bisa menjawab pertanyaan:

Seberapa cepat perubahan dalam medan listrik merambat? Pada kecepatan cahaya dalam medium di mana mereka merambat. Untuk sebagian besar kabel, ini berada di lingkungan 60% hingga 90% dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa.

Seberapa cepat pembawa muatan listrik bergerak? Kecepatan pembawa muatan individu adalah acak. Jika Anda mengambil rata-rata semua kecepatan ini, Anda bisa mendapatkan beberapa kecepatan yang tergantung pada kepadatan pembawa muatan, dan arus, dan luas penampang konduktor, dan biasanya kurang dari beberapa milimeter per detik dalam kawat tembaga. Di atas itu, kerugian resistif menjadi tinggi pada logam biasa dan orang cenderung membuat kabel lebih besar daripada memaksa biaya untuk bergerak lebih cepat.

Bacaan lebih lanjut: Kecepatan Aliran Listrik oleh Bill Beaty

^{1: Kecepatan cahaya tergantung pada bahan di mana cahaya merambat, seperti halnya dengan suara. Lihat kecepatan rambat gelombang .}

Ini benar-benar lebih dari pertanyaan fisika daripada yang elektronik ... Alasannya adalah insinyur listrik dan elektronik jarang (jika pernah) mempertimbangkan perhitungan subatomik seperti itu. Fakta bahwa elektron bergerak sama sekali adalah yang paling penting, seberapa cepat mereka bergerak memiliki konsekuensi kecil terhadap rangkaian. Apa yang mungkin berguna bagi insinyur adalah mengetahui seberapa cepat potensial listrik (tegangan) dapat berubah karena ini akan memutuskan transmisi data maksimum pada kabel (kecepatan kawat) yang terkait dengan hambatan, kapasitansi, dan induktansi dari pembawa muatan, antara lain. Ini juga terkait dengan kecepatan rambat gelombang yang dibahas dalam beberapa jawaban lainnya. Ini adalah dua masalah yang sangat berbeda ...

Tinjauan Listrik

Untuk memulai, "listrik" tidak mengalir. Listrik adalah manifestasi fisik dari aliran muatan listrik. Meskipun istilah ini berlaku untuk spektrum fenomena yang luas, istilah ini paling sering dikaitkan dengan pergerakan (eksitasi) elektron - partikel subatomik bermuatan negatif. Ketika unsur-unsur tertentu digabungkan, elektron dapat bergerak bebas melalui lapisan terluar awan elektron dari satu atom ke atom berikutnya. Konduktor dengan mudah memungkinkan aliran elektron, sedangkan isolator membatasi itu. Semikonduktor (seperti silikon) memiliki konduktivitas yang dapat dikontrol, yang membuatnya ideal untuk digunakan dalam elektronik modern.

Seperti yang Anda ketahui, arus listrik diukur dalam ampere (amp). Ini benar-benar ukuran berapa banyak elektron yang bergerak melalui satu titik dalam satu detik:

1 Amp = 1 Coulomb per Detik = 6.241509324x10 ^ 18 Elektron per Detik

Selama ada tegangan (potensial) yang ada di konduktor, (kawat, resistor, motor, dll.) Arus akan mengalir. Tegangan adalah pengukuran potensial listrik antara dua titik, sehingga memiliki tegangan yang lebih tinggi akan memungkinkan aliran arus yang lebih tinggi, yaitu, pergerakan lebih banyak elektron melalui titik per detik.

Kecepatan Elektron

Tentu saja, kecepatan yang diketahui berpuasa adalah kecepatan cahaya: 3 * 10 ^ 8 m / s. Namun, elektron biasanya tidak bergerak mendekati kecepatan ini. Bahkan, Anda akan terkejut mengetahui seberapa lambat mereka benar-benar bergerak.

Kecepatan aktual elektron dikenal sebagai kecepatan melayang . Ketika arus mengalir, elektron tidak benar-benar bergerak dalam garis lurus melalui kawat, tetapi semacam bergoyang di sekitar atom. Kecepatan rata - rata aktual dari aliran elektron sebanding dengan arus menggunakan rumus berikut:

v = I / (nAq) = arus / (kepadatan pembawa * luas penampang pembawa * muatan pembawa)

Contoh ini diambil dari Wikepedia , karena saya tidak ingin mencari nomornya sendiri ...

Pertimbangkan arus 3A yang mengalir melalui kawat tembaga berdiameter 1mm. Tembaga memiliki kerapatan 8,5 * 10 ^ 25 elektron / m ^ 3 dan muatan satu elektron adalah -1,6 * 10 ^ (- 19) Coulomb. Kawat memiliki luas penampang 7,85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2. Karenanya, kecepatan drift adalah:

v = (3 Coulomb / s) / (8,5 * 10 ^ 25 elektron / m ^ 3 * 7.85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2 * -1.6 * 10 ^ (- 19) Coulomb)

v = -0,00028 m / s

Perhatikan kecepatan negatifnya, yang menyiratkan bahwa arus sebenarnya mengalir dalam arah yang berlawanan biasanya dipikirkan. Selain itu, satu-satunya hal yang perlu diperhatikan adalah seberapa lambat ini sebenarnya. Arus 3 amp bukanlah yang kecil, dan kawat tembaga adalah konduktor yang sangat baik! Sebenarnya, semakin tinggi hambatan dalam pembawa muatan, semakin cepat kecepatannya. Ini mirip dengan bagaimana pengaturan yang berbeda pada kepala pancuran akan menyebabkan tekanan air yang sama keluar dari keran pada kecepatan yang berbeda. Semakin kecil lubangnya, semakin cepat air keluar!

Masuk Akal Ini

Jika elektron bergerak sangat lambat, lalu bagaimana mungkin untuk mengirimkan data dengan begitu cepat? Atau bahkan, bagaimana lampu dapat mengontrol cahaya secara instan dari jarak yang begitu jauh? Ini karena tidak ada satu elektron pun yang harus mengalir dari satu titik di sirkuit ke titik lain agar sesuatu dapat bekerja. Sebenarnya, ada banyak elektron bebas (jumlahnya tergantung pada susunan unsur bahan pembawa) di setiap titik rangkaian setiap saat yang bergerak segera setelah potensi (voltase) yang cukup besar diterapkan.

Pikirkan air dalam pipa. Jika tidak ada air di dalam pipa untuk memulai, itu akan membutuhkan waktu bagi air untuk mencapai faucet ketika semburan dinyalakan. Namun, di rumah, harus sudah ada air di setiap titik pipa, sehingga air mengalir keluar dari keran segera setelah dinyalakan. Itu tidak harus melakukan perjalanan dari sumber air ke keran karena sudah di dalam pipa, hanya menunggu potensi untuk mendorongnya. Itu sama dengan kawat: sudah ada begitu banyak elektron di kawat, hanya menunggu untuk didorong melalui keberadaan potensi tegangan. Kecepatan yang diperlukan untuk satu elektron untuk berpindah dari satu titik di kawat ke yang lain sama sekali tidak relevan.

Di sisi lain, kecepatan pengiriman data melalui media fisik adalah penting dan memang memiliki maksimum teoritis, seperti yang dibahas dalam pertanyaan dan jawaban yang luar biasa ini sehingga saya tidak akan membahasnya di sini.

Elektron menyesatkan Anda. Abaikan mereka. Mereka pergi ke arah yang salah. Orang-orang suka membangun model animasi kecil yang menunjukkan mereka bergerak - yang benar, dan mengamati bahwa komunikasi elektronik hampir instan - benar, dan menyimpulkan bahwa elektron bergerak dekat-instan - yang salah.

1. Seberapa cepat aliran listrik?

   Ada dua interpretasi yang mungkin: "seberapa cepat elektron bergerak?" dan "seberapa cepat sinyal elektronik bergerak?"

   Kurt sudah menjawab "seberapa cepat elektron bergerak?" dengan kecepatan melayang . Namun, sinyal elektronik ditentukan oleh gelombang elektromagnetik yang merambat melalui materi dengan bantuan pembawa muatan. Sinyal merambat di sebagian kecil dari kecepatan cahaya, dipengaruhi oleh sifat-sifat saluran transmisi .

   Ini membebankan batasan nyata pada sistem kecepatan tinggi. Dalam prakteknya dibutuhkan sekitar satu nanodetik untuk sinyal untuk merambat sepanjang 30cm dari PCB. Ada latensi minimum antara bagian-bagian komputer sebagai hasilnya.

   Induktansi saluran dan kapasitansi membatasi seberapa "tajam" Anda dapat membuat batas dan mengirimkannya ke bawah garis. Itu akan dioleskan ke arah bentuk gelombang sinus.

   Perhatikan bahwa jumlah data yang Anda dapat masukkan melalui operator masih berbeda, diatur oleh rasio sinyal terhadap noise. Kecepatan propagasi menentukan latensi minimum, bukan bandwidth.

2. Apakah kecepatan sebuah elektron berbeda dalam mengatakan sebuah resistor daripada di kabel?

3. Apakah itu penting?

   Dari atas kita tahu bahwa jawabannya adalah "ya" dan "tidak", untuk kecepatan elektron.

   Kecepatan rambat gelombang dipengaruhi oleh kapasitansi, induktansi, dan konstanta dielektrik dari material yang Anda gunakan untuk merambat dan setiap isolator terdekat ke ground plane. Oleh karena itu sinyal akan merambat pada kecepatan yang sedikit berbeda melalui resistor daripada kawat, karena terbuat dari bahan yang berbeda dan berdiri di atas papan.

4. Atau apakah efek elektron satu-satunya hal yang penting, dengan tingkat abstraksi yang lebih rendah tidak berguna dalam praktik?

Sebagian besar waktu, Anda tidak perlu khawatir tentang elektron. Mereka terlibat langsung dalam tabung sinar katoda, layar fluoresen vakum dan "katup" termionik.

Ini juga berlaku untuk semikonduktor, di mana fisika sulit dan kadang-kadang berlawanan dengan intuisi, tetapi pengetahuan dasar tentang cara menggunakan transistor, FET atau dioda dalam suatu rangkaian jauh lebih sederhana.

Pertimbangkan sederetan kartu domino - dorong satu di ujung ini dan gangguan mengalir ke yang lain. Kecepatan masing-masing potongan dan dari gangguan atau gelombang-depan sangat berbeda, dan tidak ada potongan individu yang bergerak dari sini ke sana.

Ada sejumlah ide yang rela

• Seberapa cepat elektron bergerak?
• Seberapa cepat elektron melayang ketika arus mengalir?
• seberapa cepat suatu sinyal merambat di sepanjang kabel tembaga

Anda dapat menghubungkan ini dengan analogi water-in-pipes yang lama

• Molekul H2O selalu bergoyang tentang dalam keadaan cair (atau keadaan di atas 0 Kelvin?)
• Molekul H2O dalam pipa selang juga perlahan-lahan melayang dari keran ke nozzle
• Saat Anda menghidupkan keran, gelombang tekanan bergerak jauh lebih cepat daripada kecepatan melayang.

Jawaban aktual untuk elektron adalah

• Tidak tahu, cukup cepat. 2 x 10 ^ 6 m / s? ( ref †)
• Nilai tipikal mungkin 1 meter per jam.
• Sebagian kecil dari kecepatan cahaya. ( ref ‡)

_{† Untuk elektron dalam orbit tertentu, mungkin jauh berbeda untuk elektron "bebas" dalam tembaga :-).
‡ Untuk sinyal dalam air garam, mungkin jauh berbeda dengan tembaga :-)}

Aspek lain dari ini:

Sebelum ada yang bisa menjawab pertanyaan OP, pertama-tama kita harus mendefinisikan kata "Listrik." Ketika elektron mengalir, apakah itu "aliran listrik?" Tidak. Dan ya! Buku teks yang berbeda saling bertentangan. Tidak ada jawaban sederhana yang dapat disetujui oleh para ahli.

Fisika mengatakan bahwa Kuantitas Listrik didefinisikan sebagai coulomb; sebagai biaya. (Lihat Buku Pegangan CRC misalnya. Atau NIST, atau standar MKS SI untuk unit fisika.) Di bawah definisi "listrik" ini, kita dapat mengatakan bahwa elektron membawa sejumlah kecil listrik ketika bergerak. Dalam logam, listrik yang mengalir, arus listrik, adalah elektron yang bergerak lambat.

Mengapa ini menjadi masalah? Sederhana: sebagian besar buku teks non-fisika benar-benar tidak setuju. Sebaliknya mereka menyatakan bahwa "listrik" berarti "aliran elektron" atau arus. Bagi mereka, "listrik" bukanlah coulomb, melainkan laju alirnya; ampere. Bagi mereka, setiap kali aliran berhenti, "listrik" telah lenyap.

Tetapi untuk fisikawan, ketika aliran berhenti, listrik hanya duduk tak bergerak di kabel, karena kepadatan pembawa tidak berubah ketika ampere berubah. Untuk fisikawan, semua kabel sudah penuh dengan listrik; selalu mengandung "laut elektron;" operator seluler semua logam. Tetapi untuk buku teks non-fisika, kabel seperti pipa kosong di mana "listrik" memperbesar sepanjang kecepatan cahaya.

Lalu apa itu listrik? Standar fisika (MKS, konvensi standar SI) dengan jelas mendefinisikan listrik. Tetapi buku sekolah kami mengabaikan ini, atau mereka diam-diam berpura-pura bahwa standar fisika dapat diubah sesuai keinginan. Sebaliknya, buku teks sekolah semua sepakat untuk mendefinisikan "listrik" dengan cara yang sangat berbeda: bukan sebagai kuantitas biaya, tetapi sebagai gerakan yang mengalir dari biaya.

Lalu apa itu listrik? (Atau lebih tepatnya, apakah listrik ... aliran listrik? Dan setiap kali listrik mulai mengalir, apakah kita menyebut aliran ini dengan nama "... listrik?")

:)

Kegilaan ini bahkan menginfeksi bahasa teknik. Fisikawan mengatakan bahwa elektron adalah pembawa muatan dalam logam. Insinyur sebaliknya memanggil mereka ... pembawa saat ini? Ya. Periksa teks rekayasa universitas. Fisikawan tahu tentang konservasi muatan. Itu hukum dasar. Tapi kami para insinyur belajar tentang ... Konservasi Arus ?! Kami diajari bahwa arus adalah "barang" yang mengalir melalui kabel. Buku pelajaran EE penuh dengan ungkapan "aliran arus," dan jarang jika pernah menyebutkan versi yang benar, "aliran biaya."

Solusi tradisional untuk masalah seperti itu sudah dikenal luas: kembangkan standar dan tentukan istilah teknis secara sempit. Kemudian dengan hati-hati mematuhi standar-standar bahasa itu. Jangan menggunakan definisi populer, melainkan secara eksklusif menggunakan terminologi ilmiah yang sempit. Ini memotong semua kabut dan BS dan kebingungan. Namun dalam kasus ini akan ada perjuangan yang berat, karena menggunakan standar fisika akan berarti bahwa ribuan buku teks sains / elektronik / insinyur non-fisika dan generasi pakar salah secara fundamental. Karena penyalahgunaan yang terus-menerus terhadap terminologi ilmiah dasar, banyak generasi siswa sekarang tidak tahu apa sebenarnya "listrik" itu, dan karenanya harus terus-menerus bertanya apakah itu mengalir perlahan bersama dengan Drift Velocity (aliran muatan,

Lebih banyak pemotongan BS: arus tidak mengalir, malah menyebar. Ketika kita menekan satu ujung batang, gerakannya tidak mengalir. Sebaliknya itu merambat sebagai gelombang. Hal yang sama dengan arus di sirkuit: aliran muatan ya, tetapi perambatan gelombang arus. Perambatan arus near-lightspeed sama dengan gelombang EM.

Dan akhirnya, tanyakan pada diri Anda pertanyaan yang sangat penting ini: di sungai dan sungai, apakah "arus" mengalir bersama? Atau apakah benda itu sebenarnya disebut "air?"