Geschwindigkeit des elektrischen Stroms
Elektrizität und ihre Bewegung
Elektrizität bezieht sich im Allgemeinen auf die Bewegung von Elektronen (oder anderen Ladungsträgern) durch einen Leiter in Anwesenheit eines Potenzialunterschieds oder eines elektrischen Feldes. Die Geschwindigkeit dieser Bewegung hat mehrere Bedeutungen, wobei zwischen zwei grundlegenden Arten von Geschwindigkeiten unterschieden werden muss: der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und der Driftgeschwindigkeit.
Wellenausbreitungsgeschwindigkeit
In alltäglichen elektrischen und elektronischen Geräten reisen die Signale als elektromagnetische Wellen typischerweise mit 50 % bis 99 % der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Dimensionen des Drahtes und elektrische Eigenschaften wie Induktivität beeinflussen die exakte Ausbreitungsgeschwindigkeit, die normalerweise etwa 90 % der Lichtgeschwindigkeit beträgt, also ungefähr 270.000 km/s.
Driftgeschwindigkeit
Die Driftgeschwindigkeit von Elektronen in einem Leiter ist typischerweise recht langsam, in der Größenordnung von einigen Millimetern pro Sekunde, obwohl der Strom im Leiter recht hoch sein kann. Die Driftgeschwindigkeit ist proportional zum Strom und in einem widerstandsfähigen Material auch proportional zur Größe eines externen elektrischen Feldes.
Elektrischer Strom
Elektrischer Strom ist der Fluss elektrischer Ladung durch ein Material. Die Einheit für Strom ist das Coulomb pro Sekunde, oder das Ampere (A), eine SI-Basiseinheit: 1 Ampere = 1A = 1 Coulomb pro Sekunde = 1 C/s.
Geschwindigkeit von Signal und Elektronen
In elektrostatischen Situationen ist das elektrische Feld im Inneren des Leiters überall null, und es gibt keinen Strom. Bei Anwendung einer Spannungsdifferenz auf einen Leiter entsteht jedoch ein elektrisches Feld im Material, das eine Kraft auf die freien Elektronen im Leiter ausübt und sie dazu bringt, sich von Bereichen hoher potentieller Energie zu Bereichen niedriger potentieller Energie zu bewegen.
Berechnung der Driftgeschwindigkeit
Die Driftgeschwindigkeit von Elektronen in einem Leiter kann mit der folgenden 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, ungefähr 1.602 x 10-19 Coulombs (C)
Driftgeschwindigkeit und Elektronenmobilität
Driftgeschwindigkeit und Elektronenmobilität sind zwei verwandte Konzepte im Studium von Elektrizität und Leitern, beziehen sich jedoch auf unterschiedliche Aspekte des Verhaltens von Ladungsträgern in einem Material. Elektronenmobilität ist ein Maß dafür, wie leicht Elektronen sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes durch ein Material bewegen können.
Fazit
Die Geschwindigkeit des elektrischen Stroms ist ein komplexes Phänomen, das verschiedene Aspekte wie Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und Driftgeschwindigkeit umfasst. Diese Konzepte sind wesentlich für das Verständnis der Funktionsweise von elektrischen Strömen in Leitern.
