Geschwindigkeit der Wellenausbreitung – Geschwindigkeitsfaktor und Stromgeschwindigkeit
Einführung
Elektrizität bezieht sich im Allgemeinen auf die Bewegung von Elektronen (oder anderen Ladungsträgern) durch einen Leiter im Vorhandensein eines Potenzialunterschieds oder eines elektrischen Feldes. Die Geschwindigkeit dieses Flusses kann mehrere Bedeutungen haben. Um die Frage zu beantworten, wie schnell Elektrizität fließt, müssen wir zwei grundlegende Geschwindigkeitsarten unterscheiden: die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung und die Driftgeschwindigkeit.
Wellenausbreitungsgeschwindigkeit
Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit, auch Geschwindigkeitsfaktor oder Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Übertragungsmediums genannt, ist das Verhältnis der Geschwindigkeit, mit der eine Wellenfront (eines elektromagnetischen Signals, eines Funksignals, eines Lichtpulses in einer optischen Faser oder einer Änderung der elektrischen Spannung auf einem Kupferdraht) durch das Medium wandert, zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Dimensionen des Drahtes und elektrische Eigenschaften wie seine Induktivität beeinflussen die genaue Ausbreitungsgeschwindigkeit, die jedoch in der Regel etwa 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beträgt – etwa 270.000 km/s. In alltäglichen elektrischen und elektronischen Geräten reisen die Signale typischerweise als elektromagnetische Wellen mit etwa 50%–99% der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, während sich die Elektronen selbst viel langsamer bewegen.
Driftgeschwindigkeit
In der Elektrizität bezieht sich die Driftgeschwindigkeit auf die durchschnittliche Geschwindigkeit der Ladungsträger, normalerweise Elektronen, während sie sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes durch einen Leiter bewegen. Wenn eine Spannung über einen Leiter angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld, das die Elektronen in eine bestimmte Richtung bewegt. Allerdings bewegen sich die Elektronen nicht in einer geraden Linie, sondern unterliegen einer zufälligen Bewegung aufgrund von Kollisionen mit den Atomen des Leiters. Diese zufällige Bewegung führt zu einer durchschnittlichen Geschwindigkeit, der sogenannten Driftgeschwindigkeit. Die Driftgeschwindigkeit der Elektronen in einem Leiter ist typischerweise ziemlich langsam, in der Größenordnung von einigen Millimetern pro Sekunde.
Berechnung der Driftgeschwindigkeit
Die Driftgeschwindigkeit der Elektronen in einem Leiter kann mit folgender Formel berechnet werden:
\[ v_d = \frac{I}{nAq} \]
wo:
- \( v_d \) ist die Driftgeschwindigkeit der Elektronen in Metern pro Sekunde (m/s)
- \( I \) ist der Strom, der durch den Leiter fließt, in Ampere (A)
- \( n \) ist die Anzahl der Ladungsträger pro Volumeneinheit im Leiter (in m-3)
- \( A \) ist die Querschnittsfläche des Leiters in Quadratmetern (m2)
- \( q \) ist die Ladung eines einzelnen Elektrons, etwa 1,602 x 10-19 Coulombs (C)
Driftgeschwindigkeit und Elektronenmobilität
Driftgeschwindigkeit und Elektronenmobilität sind zwei verwandte Konzepte in der Elektrizitätslehre und Leiterstudien, beziehen sich jedoch auf unterschiedliche Aspekte des Verhaltens von Ladungsträgern, wie Elektronen, in einem Material. Die Driftgeschwindigkeit bezieht sich auf die durchschnittliche Geschwindigkeit von Ladungsträgern, wie Elektronen, während sie sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes durch einen Leiter bewegen. Die Elektronenmobilität hingegen ist ein Maß dafür, wie leicht Elektronen sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes durch ein Material bewegen können. Sie wird definiert als das Verhältnis der Driftgeschwindigkeit der Elektronen zur Stärke des elektrischen Feldes. Während Driftgeschwindigkeit und Elektronenmobilität zusammenhängen, sind sie nicht austauschbar.
