電気の流れる速さ
「電気」という言葉は、電位差や電場の存在下で導体を通じて電子(または他の電荷担体)が移動することを一般的に指します。この流れの速さには複数の意味があります。電気の流れる速さについて議論する場合、基本的に2種類の速度を区別する必要があります。波の伝播速度とドリフト速度です。
波の伝播速度
日常の電気・電子機器では、信号は真空中の光速の50%~99%の速度で電磁波として伝わりますが、電子自体ははるかに遅い速度で移動します。波の伝播速度、または伝播速度係数は、伝送媒体を通じて波前(電磁信号、無線信号、光ファイバー内の光パルス、または銅線上の電圧変化)が移動する速度と、真空中の光速との比です。電線の寸法や電気的特性(例えばインダクタンス)によって正確な伝播速度は異なりますが、通常は光速の約90%、約270,000 km/sです。
ドリフト速度
電気におけるドリフト速度とは、電場の影響下で導体を通じて移動する電荷担体(通常は電子)の平均速度を指します。導体に電圧が適用されると、電場が形成され、電子は特定の方向に移動するようになります。しかし、電子は直線的に移動するのではなく、導体の原子との衝突によってランダムな動きをします。これにより電子の全体的な動きが遅くなります。ドリフト速度は電流に比例します。抵抗性材料では、外部電場の大きさにも比例します。ドリフト速度は比較的遅いですが、導体内の電流の挙動を理解する上で重要な概念です。
ドリフト速度の計算式は次の通りです:
vd = (I / nAq)
ここで、vd
は電子のドリフト速度(m/s)、I
は導体を流れる電流(A)、n
は導体単位体積あたりの電荷担体の数(m-3)、A
は導体の断面積(m2)、q
は単一電子の電荷(約1.602 x 10-19 クーロン)です。
電流
電流とは、物質を通じた電荷の流れです。これは、回路のある点を流れる電荷の速率です。電荷の流れは通常、負に帯電した粒子である電子によって運ばれます。電流のSI単位はクーロン毎秒、すなわちアンペア(A)、これはSI基本単位です:1 アンペア = 1A = 1 クーロン毎秒 = 1 C/s
。
電気の流れる速さ
静電状態では、導体内の電場はどこでもゼロであり、電流は存在しません。しかし、これは導体内の全ての電荷が静止しているという意味ではありません。通常の金属(例えば銅やアルミニウム)では、いくつかの電子が導体材料内で自由に動くことができます。これらの自由電子は、ガスの分子のように、しかしはるかに高速で、ランダムな全ての方向に動きます。電子はそれにもかかわらず、材料の正のイオンに引き寄せられるため、導体材料から逃げ出すことはありません。