Geschwindigkeit der Elektrizität: Wellenausbreitung und Driftgeschwindigkeit
Die Elektrizität, allgemein definiert als die Bewegung von Elektronen oder anderen Ladungsträgern durch einen Leiter im Vorhandensein eines elektrischen Feldes, präsentiert verschiedene Geschwindigkeitskonzepte. Bei der Betrachtung der Elektrizitätsgeschwindigkeit müssen wir zwischen zwei grundlegenden Geschwindigkeitsarten unterscheiden: der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und der Driftgeschwindigkeit.
Wellenausbreitungsgeschwindigkeit
In alltäglichen elektrischen und elektronischen Geräten reisen Signale als elektromagnetische Wellen typischerweise mit 50%–99% der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Diese Geschwindigkeit bezieht sich auf die Ausbreitung der Welle selbst, nicht auf die Bewegung der Elektronen.
Driftgeschwindigkeit
Im Gegensatz dazu bezieht sich die Driftgeschwindigkeit in der Elektrizität auf die durchschnittliche Geschwindigkeit der Ladungsträger, in der Regel Elektronen, die sich durch einen Leiter unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen. Wenn eine Spannung über einen Leiter angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld, das die Elektronen in eine bestimmte Richtung bewegt. Jedoch bewegen sie sich nicht in einer geraden Linie, sondern unterliegen einer zufälligen Bewegung aufgrund von Kollisionen mit den Atomen des Leiters. Diese Kollisionen verursachen einen Energieverlust und Streuung in zufällige Richtungen, was Widerstand gegen den Elektronenfluss erzeugt und zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme führt.
Die Driftgeschwindigkeit der Elektronen in einem Leiter ist typischerweise sehr langsam, in der Größenordnung von wenigen Millimetern pro Sekunde. Die Driftgeschwindigkeit ist proportional zum Strom und in einem widerstandsfähigen Material auch proportional zur Stärke eines externen elektrischen Feldes.
Die Formel zur Berechnung der Driftgeschwindigkeit lautet:
vd = (I / nAq)
wo:
- vd die Driftgeschwindigkeit der Elektronen in Metern pro Sekunde (m/s) ist
- I der durch den Leiter fließende Strom in Ampere (A) ist
- n die Anzahl der Ladungsträger pro Volumeneinheit im Leiter (in m-3) ist
- A die Querschnittsfläche des Leiters in Quadratmetern (m2) ist
- q die Ladung eines einzelnen Elektrons, etwa 1.602 x 10-19 Coulombs (C), ist
Bei Gleichspannung (DC) steigt die Driftgeschwindigkeit proportional zur Stärke des elektrischen Feldes. In einem 2 mm dicken Kupferdraht mit einem 1 Ampere Strom beträgt die Driftgeschwindigkeit etwa 8 cm pro Stunde. Wechselspannungen (AC) verursachen keine Netzbewegung; die Elektronen oszillieren hin und her als Reaktion auf das wechselnde elektrische Feld.
Driftgeschwindigkeit und Elektronenmobilität
Driftgeschwindigkeit und Elektronenmobilität sind verwandte Konzepte in der Elektrizitäts- und Leiterstudie, beziehen sich jedoch auf unterschiedliche Aspekte des Verhaltens von Ladungsträgern, wie Elektronen, in einem Material. Während die Driftgeschwindigkeit die durchschnittliche Geschwindigkeit der Ladungsträger beschreibt, misst die Elektronenmobilität, wie leicht Elektronen sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes durch ein Material bewegen können. Sie wird als das Verhältnis der Driftgeschwindigkeit der Elektronen zur Stärke des elektrischen Feldes definiert. Die Einheit der Elektronenmobilität ist Meter Quadrat pro Volt-Sekunde (m2/Vs).
Obwohl Driftgeschwindigkeit und Elektronenmobilität zusammenhängen, sind sie nicht austauschbar. Die Driftgeschwindigkeit ist eine physische Größe, die die Bewegung von Ladungsträgern in einem Leiter beschreibt, während die Elektronenmobilität eine Materialeigenschaft ist, die angibt, wie leicht Elektronen durch ein spezifisches Material unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen können.
