Velocità di propagazione delle onde – Fattore di velocità

Velocità di Propagazione dell’Onda e Fattore di Velocità – La Velocità dell’Elettricità

L’elettricità, nel suo senso più ampio, si riferisce al movimento degli elettroni (o altri portatori di carica) attraverso un conduttore sotto l’azione di una differenza di potenziale o di un campo elettrico. La velocità di questo flusso ha significati multipli, pertanto è essenziale distinguere due tipi fondamentali di velocità: la velocità di propagazione dell’onda e la velocità di deriva.

Velocità di Propagazione dell’Onda

La velocità di propagazione dell’onda, nota anche come fattore di velocità o velocità di propagazione di un mezzo di trasmissione, è il rapporto tra la velocità con cui un fronte d’onda (di un segnale elettromagnetico, un segnale radio, un impulso luminoso in una fibra ottica o un cambiamento della tensione elettrica su un filo di rame) si propaga attraverso il mezzo e la velocità della luce nel vuoto. Le dimensioni del filo e le proprietà elettriche come l’induttanza influenzano la velocità esatta di propagazione, che di solito si aggira intorno al 90% della velocità della luce, circa 270.000 km/s.

Nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche quotidiane, i segnali viaggiano come onde elettromagnetiche tipicamente al 50%-99% della velocità della luce in un vuoto, mentre gli elettroni stessi si muovono molto più lentamente. Ad esempio, il fattore di velocità per un cavo coassiale è tipicamente intorno a 0.66-0.85, il che significa che la velocità di un’onda elettromagnetica nel cavo è solo circa i due terzi a quattro quinti della velocità della luce in un vuoto.

Velocità di Deriva

Nell’elettricità, la velocità di deriva si riferisce alla velocità media dei portatori di carica, di solito elettroni, mentre si muovono attraverso un conduttore sotto l’influenza di un campo elettrico. Quando viene applicata una tensione attraverso un conduttore, si stabilisce un campo elettrico che fa muovere gli elettroni in una certa direzione. Tuttavia, gli elettroni non si muovono in linea retta ma piuttosto subiscono un moto casuale a causa delle collisioni con gli atomi del conduttore, perdendo energia e disperdendosi in direzioni casuali. Questo crea resistenza al flusso di elettroni e causa la conversione di parte dell’energia del campo elettrico in calore.

La velocità di deriva degli elettroni in un conduttore è tipicamente piuttosto lenta, dell’ordine di qualche mill
imetro al secondo, anche se la corrente nel conduttore può essere piuttosto elevata. Questo perché gli elettroni sono in continuo urto con gli atomi del conduttore, rallentando il loro movimento complessivo. La velocità di deriva è proporzionale alla corrente e, in un materiale resistivo, è anche proporzionale alla grandezza di un campo elettrico esterno.

La velocità di deriva degli elettroni in un conduttore può essere calcolata utilizzando la seguente formula:

v_d = (I / nAq)

dove:

• v_d è la velocità di deriva degli elettroni in metri al secondo (m/s)
• I è la corrente che scorre attraverso il conduttore in ampere (A)
• n è il numero di portatori di carica per unità di volume nel conduttore (in m^-3)
• A è l’area della sezione trasversale del conduttore in metri quadrati (m²)
• q è la carica di un singolo elettrone, che è circa 1,602 x 10^-19 Coulomb (C)

Ad esempio, quando viene applicata una tensione in corrente continua, la velocità di deriva degli elettroni aumenterà proporzionalmente alla forza del campo elettrico. La velocità di deriva in un filo di rame del diametro di 2 mm in una corrente di 1 ampere è di circa 8 cm all’ora. Le tensioni in corrente alternata non causano un movimento netto; gli elettroni oscillano avanti e indietro in risposta al campo elettrico alternato (su una distanza di pochi micrometri).

Velocità di Deriva e Mobilità Elettronica

Velocità di deriva e mobilità elettronica sono due concetti correlati nello studio dell’elettricità e dei conduttori, ma si riferiscono a diversi aspetti del comportamento dei portatori di carica, come gli elettroni, in un materiale. La velocità di deriva si riferisce alla velocità media dei portatori di carica, come gli elettroni, mentre si muovono attraverso un conduttore sotto l’influenza di un campo elettrico. Questa velocità è influenzata da fattori come la densità dei portatori di carica, l’area della sezione trasversale del condutt
ore e la forza del campo elettrico. La velocità di deriva è tipicamente piuttosto lenta, dell’ordine di pochi millimetri al secondo, a causa delle frequenti collisioni tra i portatori di carica e gli atomi del conduttore.

La mobilità elettronica, d’altra parte, è una misura di quanto facilmente gli elettroni possono muoversi attraverso un materiale sotto l’influenza di un campo elettrico. È definita come il rapporto tra la velocità di deriva degli elettroni e la forza del campo elettrico. In altre parole, la mobilità elettronica è una misura dell’efficienza con cui gli elettroni possono muoversi attraverso il materiale, tenendo conto della resistenza al loro movimento a causa delle collisioni con gli atomi del conduttore. L’unità di misura della mobilità elettronica è metri quadrati per volt-secondo (m²/Vs).

Sebbene la velocità di deriva e la mobilità elettronica siano correlate, non sono interscambiabili. La velocità di deriva è una quantità fisica che descrive il movimento dei portatori di carica in un conduttore, mentre la mobilità elettronica è una proprietà del materiale che caratterizza la facilità con cui gli elettroni possono muoversi attraverso un materiale specifico sotto l’influenza di un campo elettrico.

In conclusione, la comprensione della velocità di propagazione dell’onda e della velocità di deriva, insieme alla mobilità elettronica, è fondamentale per l’analisi del comportamento delle correnti elettriche nei conduttori. Questi concetti chiave ci permettono di comprendere meglio come le informazioni e l’energia vengono trasmesse attraverso vari mezzi in elettrotecnica e elettronica.