Elektriğin hızı nedir?
- Konbuyu başlatan Pilli Bebek
- Başlangıç tarihi
Çözüm
Elektriğin hızı gerçekten "elektrik" kelimesiyle ne kastettiğinize bağlıdır. Bu kelime çok geneldir ve temel olarak "elektrik yüküyle ilgili her şey" anlamına gelir. Bir lambanın güç kablosu gibi metal bir telden geçen bir elektrik yükü akımından bahsettiğimizi varsayacağım. Elektrik akımlarının metal tellerden geçmesi durumunda, hepsi fiziksel olarak anlamlı olan üç farklı hız vardır:
Şimdi, eğer kabloyu bir pile bağlarsanız, tele harici bir elektrik alanı uygulamış olursunuz. Elektrik alanı telin uzunluğu boyunca tek bir yöne işaret eder. Teldeki serbest elektronlar bu elektrik alanından gelen kuvveti hissederler ve alanın yönünde (aslında elektronlar negatif yüklü olduğu için ters yönde) hızlanırlar. Elektronlar atomlarla çarpışmaya devam ediyor ve bu da onların her yerde farklı yönlere sıçramasına neden oluyor. Ancak bu rastgele termal hareketin yanı sıra, artık elektrik alanının tersi yönde net düzenli bir harekete de sahipler. Teldeki elektrik akımı elektronların hareketinin düzenli kısmından oluşurken, hareketin rastgele kısmı hala sadece teldeki ısıyı oluşturur. Bu nedenle uygulanan bir elektrik alanı (örneğin bir pilin bağlanmasından kaynaklanan), bir elektrik akımının telden aşağı akmasına neden olur. Elektronların bir telde aşağı doğru hareket ettiği ortalama hıza "sürüklenme hızı" diyoruz.
Elektronlar ortalama olarak telden aşağı doğru sürüklenme hızında sürükleniyor olsalar bile, bu, elektronların hareketinin etkilerinin bu hızda hareket ettiği anlamına gelmez. Elektronlar gerçekte katı toplar değildir. Kelimenin tam anlamıyla birbirlerinin yüzeylerine çarparak birbirleriyle etkileşime girmezler. Aksine, elektronlar elektromanyetik alan aracılığıyla etkileşime girer. İki elektron birbirine ne kadar yaklaşırsa, elektromanyetik alanları sayesinde birbirlerini o kadar güçlü iterler. İlginç olan şu ki, bir elektron hareket ettiğinde alanı da onunla birlikte hareket eder, böylece elektron, fiziksel olarak uzayda bu elektronla aynı konuma ulaşmadan çok önce başka bir elektronu kendi alanı boyunca telin daha aşağısına itebilir. Sonuç olarak, elektromanyetik etkiler metal bir tel boyunca herhangi bir elektronun ilerleyebileceğinden çok daha hızlı ilerleyebilir. Bu "etkiler", elektronlarla birleşerek tel boyunca yayılan elektromanyetik alandaki dalgalanmalardır. Enerji ve bilgi elektromanyetik alandaki dalgalanmalarla taşındığından, enerji ve bilgi de bir elektrik kablosunda herhangi bir elektrondan çok daha hızlı hareket eder.
Elektromanyetik etkilerin bir tel boyunca ilerleme hızına "sinyal hızı", "dalga hızı" veya "grup hızı" adı verilir. Bazı kitapların sinyal hızının tamamen elektromanyetik dalga etkisini tanımladığını ima ettiğini unutmayın. Bu ima yanıltıcı olabilir. Bir elektrik kablosundan geçen sinyal izole edilmiş bir elektromanyetik dalga olsaydı, sinyal c boşluğunda ışık hızıyla hareket ederdi . Ama öyle değil. Aksine, bir elektrik kablosundan geçen sinyal, hem elektromanyetik alan dalgalanmalarının (dalga) hem de elektronların etkileşimini içerir. Bu nedenle sinyal hızı, elektronun sürüklenme hızından çok daha hızlıdır ancak ışığın boşluktaki hızından daha yavaştır. Genel olarak sinyal hızı, ışığın boşluktaki hızına bir miktar yakındır. Burada tartışılan "sinyal hızının", bir tel boyunca ilerleyen elektromanyetik etkilerin fiziksel hızını tanımladığını unutmayın. Bunun aksine, mühendisler genellikle "sinyal hızı" ifadesini, aslında "bit hızı" anlamına geldiğinde, bilimsel olmayan bir şekilde kullanırlar. Bir ağda dolaşan dijital sinyalin bit hızı kablolardaki fiziksel sinyal hızına bağlı olsa da, aynı zamanda ağdaki bilgisayarların sinyalleri ağ üzerinden ne kadar iyi yönlendirebildiğine de bağlıdır.
Bu benzetmeyi düşünün. Restorana girmek için uzun bir kuyruk oluştu. Herkes sıradaki yerinde tedirgin bir şekilde kıpırdanıyor. Sıranın sonundaki kişi sabırsızlanır ve önündeki kişiyi iter. Sıradaki her kişi arkasındaki kişiden bir itiş aldığında, önündeki kişiyi iter. Bu nedenle itme, insandan insana, hattan ileriye doğru aktarılacaktır. İtiş, sıradaki son kişinin bizzat kapılara ulaşmasından çok önce restoranın kapısına ulaşacaktır. Bu benzetmede insanlar elektronları, kolları elektromanyetik alanı, itme ise elektromanyetik alandaki bir dalgalanmayı veya dalgayı temsil etmektedir. Her kişinin kıpırdadığı hız , bireysel elektron hızını temsil eder ; her kişinin bireysel olarak çizgi boyunca ilerleme hızı, elektron sürüklenme hızını temsil eder ve itişin çizgi boyunca ilerleme hızı, sinyal hızını temsil eder . Bu basit benzetmeye dayanarak sinyal hızının çok hızlı, bireysel hızın biraz hızlı ve sürüklenme hızının yavaş olmasını bekleriz. (Fizikte bu bağlamda "faz hızı" adı verilen başka bir ilgili hızın daha bulunduğunu unutmayın. Faz hızı, fiziksel bir gerçeklikten çok matematiksel bir araçtır, bu nedenle burada tartışmaya değer olduğunu düşünmüyorum).
Bir metal teldeki bireysel elektron hızı tipik olarak saatte milyonlarca kilometredir. Buna karşılık, sürüklenme hızı tipik olarak saatte sadece birkaç metre iken sinyal hızı saatte yüz milyon ila bir milyar kilometre arasındadır. Genel olarak sinyal hızı, ışığın boşluktaki hızına biraz yakındır, bireysel elektron hızı, sinyal hızından yaklaşık 100 kat daha yavaştır ve elektronun sürüklenme hızı, bir salyangoz kadar yavaştır.
- Bireysel elektron hızı
- Elektron sürüklenme hızı
- Sinyal hızı
Şimdi, eğer kabloyu bir pile bağlarsanız, tele harici bir elektrik alanı uygulamış olursunuz. Elektrik alanı telin uzunluğu boyunca tek bir yöne işaret eder. Teldeki serbest elektronlar bu elektrik alanından gelen kuvveti hissederler ve alanın yönünde (aslında elektronlar negatif yüklü olduğu için ters yönde) hızlanırlar. Elektronlar atomlarla çarpışmaya devam ediyor ve bu da onların her yerde farklı yönlere sıçramasına neden oluyor. Ancak bu rastgele termal hareketin yanı sıra, artık elektrik alanının tersi yönde net düzenli bir harekete de sahipler. Teldeki elektrik akımı elektronların hareketinin düzenli kısmından oluşurken, hareketin rastgele kısmı hala sadece teldeki ısıyı oluşturur. Bu nedenle uygulanan bir elektrik alanı (örneğin bir pilin bağlanmasından kaynaklanan), bir elektrik akımının telden aşağı akmasına neden olur. Elektronların bir telde aşağı doğru hareket ettiği ortalama hıza "sürüklenme hızı" diyoruz.
Elektronlar ortalama olarak telden aşağı doğru sürüklenme hızında sürükleniyor olsalar bile, bu, elektronların hareketinin etkilerinin bu hızda hareket ettiği anlamına gelmez. Elektronlar gerçekte katı toplar değildir. Kelimenin tam anlamıyla birbirlerinin yüzeylerine çarparak birbirleriyle etkileşime girmezler. Aksine, elektronlar elektromanyetik alan aracılığıyla etkileşime girer. İki elektron birbirine ne kadar yaklaşırsa, elektromanyetik alanları sayesinde birbirlerini o kadar güçlü iterler. İlginç olan şu ki, bir elektron hareket ettiğinde alanı da onunla birlikte hareket eder, böylece elektron, fiziksel olarak uzayda bu elektronla aynı konuma ulaşmadan çok önce başka bir elektronu kendi alanı boyunca telin daha aşağısına itebilir. Sonuç olarak, elektromanyetik etkiler metal bir tel boyunca herhangi bir elektronun ilerleyebileceğinden çok daha hızlı ilerleyebilir. Bu "etkiler", elektronlarla birleşerek tel boyunca yayılan elektromanyetik alandaki dalgalanmalardır. Enerji ve bilgi elektromanyetik alandaki dalgalanmalarla taşındığından, enerji ve bilgi de bir elektrik kablosunda herhangi bir elektrondan çok daha hızlı hareket eder.
Elektromanyetik etkilerin bir tel boyunca ilerleme hızına "sinyal hızı", "dalga hızı" veya "grup hızı" adı verilir. Bazı kitapların sinyal hızının tamamen elektromanyetik dalga etkisini tanımladığını ima ettiğini unutmayın. Bu ima yanıltıcı olabilir. Bir elektrik kablosundan geçen sinyal izole edilmiş bir elektromanyetik dalga olsaydı, sinyal c boşluğunda ışık hızıyla hareket ederdi . Ama öyle değil. Aksine, bir elektrik kablosundan geçen sinyal, hem elektromanyetik alan dalgalanmalarının (dalga) hem de elektronların etkileşimini içerir. Bu nedenle sinyal hızı, elektronun sürüklenme hızından çok daha hızlıdır ancak ışığın boşluktaki hızından daha yavaştır. Genel olarak sinyal hızı, ışığın boşluktaki hızına bir miktar yakındır. Burada tartışılan "sinyal hızının", bir tel boyunca ilerleyen elektromanyetik etkilerin fiziksel hızını tanımladığını unutmayın. Bunun aksine, mühendisler genellikle "sinyal hızı" ifadesini, aslında "bit hızı" anlamına geldiğinde, bilimsel olmayan bir şekilde kullanırlar. Bir ağda dolaşan dijital sinyalin bit hızı kablolardaki fiziksel sinyal hızına bağlı olsa da, aynı zamanda ağdaki bilgisayarların sinyalleri ağ üzerinden ne kadar iyi yönlendirebildiğine de bağlıdır.
Bu benzetmeyi düşünün. Restorana girmek için uzun bir kuyruk oluştu. Herkes sıradaki yerinde tedirgin bir şekilde kıpırdanıyor. Sıranın sonundaki kişi sabırsızlanır ve önündeki kişiyi iter. Sıradaki her kişi arkasındaki kişiden bir itiş aldığında, önündeki kişiyi iter. Bu nedenle itme, insandan insana, hattan ileriye doğru aktarılacaktır. İtiş, sıradaki son kişinin bizzat kapılara ulaşmasından çok önce restoranın kapısına ulaşacaktır. Bu benzetmede insanlar elektronları, kolları elektromanyetik alanı, itme ise elektromanyetik alandaki bir dalgalanmayı veya dalgayı temsil etmektedir. Her kişinin kıpırdadığı hız , bireysel elektron hızını temsil eder ; her kişinin bireysel olarak çizgi boyunca ilerleme hızı, elektron sürüklenme hızını temsil eder ve itişin çizgi boyunca ilerleme hızı, sinyal hızını temsil eder . Bu basit benzetmeye dayanarak sinyal hızının çok hızlı, bireysel hızın biraz hızlı ve sürüklenme hızının yavaş olmasını bekleriz. (Fizikte bu bağlamda "faz hızı" adı verilen başka bir ilgili hızın daha bulunduğunu unutmayın. Faz hızı, fiziksel bir gerçeklikten çok matematiksel bir araçtır, bu nedenle burada tartışmaya değer olduğunu düşünmüyorum).
Bir metal teldeki bireysel elektron hızı tipik olarak saatte milyonlarca kilometredir. Buna karşılık, sürüklenme hızı tipik olarak saatte sadece birkaç metre iken sinyal hızı saatte yüz milyon ila bir milyar kilometre arasındadır. Genel olarak sinyal hızı, ışığın boşluktaki hızına biraz yakındır, bireysel elektron hızı, sinyal hızından yaklaşık 100 kat daha yavaştır ve elektronun sürüklenme hızı, bir salyangoz kadar yavaştır.