전기는 얼마나 빨리 흐르나요?

나는 때때로 저수준 물리학에 혼란스러워합니다. 그것은 " 어떤 방식으로 전기가 회로를 작동 시키는가 "에 나타 났으며 , 나는 그것을 완전히 얻지 못했습니다.

전기는 얼마나 빨리 흐르나요? 전자의 속도는 와이어에서와 같이 저항기에서 다른가? 그게 그렇게 중요한 건가? 아니면 전자 의 영향 이 유일한 중요한 것인데, 추상화 수준이 낮을수록 실제로 유용하지 않습니까?

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보너스 포인트 :

• 일반적인 오해 파악 및 정리
• 고등학교 졸업장을 가진 사람이 지나치게 단순화하지 않고 이해할 수있는 방식으로 설명하기

전기는 얼마나 빨리 흐르나요? 간단한 질문처럼 보이지만 일반적으로 몇 가지 근본적인 오해를 나타냅니다. 질문에 대답하는 첫 번째 어려움 은 전기가 무엇인지 아는 것입니다. 당신은 의미합니까?

1. 전기장의 변화는 얼마나 빨리 전파됩니까? 또는...
2. 전하 운반체는 얼마나 빨리 움직입니까?

일반적 으로이 질문을하는 사람들은 실제로 전자에 관심이 있지만 후자를 생각하고 있습니다. 그러나 차이점을 명확하게 이해하지 못하면 근본적인 문제를 물러나서 근본적인 오해를 해결하지 않으면 근본적인 문제를 해결할 수 없습니다.

힘이 있고 힘을 전달하는 것들이 있으며 그것들은 동일하지 않습니다. 예를 들면 다음과 같습니다. 나는 로프의 한쪽 끝을 잡고 있고 다른 쪽 끝을 잡고 있습니다. 당신의 관심을 끌고 싶을 때, 나는 밧줄을 잡아 당깁니다. 밧줄이 있고 잡아 당김이 있습니다. 예인선은 로프에서 소리의 속도로 로프 아래로 힘의 파동으로 이동합니다. 로프 자체는 다른 속도로 움직입니다.

감시탑이 두 개 있는데 접근하는 침략자들이 보이면 다른 탑을 향해 외쳐라. 소리는 소리의 속도로 공중에서 파도처럼 움직입니다. 공기 중의 분자는 얼마나 빨리 움직이는가? 신경 쓰세요?

어떤 사람들은 분자의 움직임이 실제로 설명 될 때까지 이것을 놓지 않을 것입니다. 비록 그것이 일반적으로 그들의 관심사와 관련이 없더라도 말입니다. 여기에 답이 있습니다 : 분자는 항상 모든 임의의 방향으로 날고 있습니다. 온도가 0이 아니기 때문에 주위를 비행합니다. 일부는 매우 빠릅니다. 일부는 매우 느립니다. 그들은 항상 서로 충돌합니다. 매우 무작위입니다.

소리를 지르면 성대가 공기의 일부를 압축합니다 (성대가 진동 할 때 무시합니다). 이 압축 영역의 분자는 더 적은 압력으로 영역으로 이동하려고합니다. 그러나 이제이 근처 지역에는 공기가 너무 많고 주변 공기보다 약간 더 압축되어 있으므로 압축 된 지역이 조금 더 확장됩니다. 이 압축 파는 소리의 속도로 공기를 통해 이동합니다.

이 모든 것은 이전에 언급 한 분자의 임의 운동에 중첩됩니다. 성대에 있던 동일한 분자가 청취자의 귀에서 진동하는 분자 일 가능성은 낮습니다. 개별 분자를 보면 모든 방향으로 진행되는 것을 볼 수 있습니다. 당신이 그것들을 많이 관찰한다면 오직 한 방향으로 다른 방향으로 약간 더 갔다는 것을 알게 될 것입니다. 우리가 "사운드"라고 부르는 모든 것에는 열 잡음으로 인한 분자의 임의 운동이 소리로 인한 운동보다 훨씬 더 많은 것이 사실입니다. "사운드"가보다 관련있는 모션이되면 "사운드"가 아니라 "폭발"이라고 부르는 경향이 있습니다.

전기 상황은 크게 다르지 않습니다. 금속 도체는 임의의 방향으로 전체 회로 주위를 자유롭게 돌아 다니는 전자들로 가득 차 있으며, 단순히 따뜻하기 때문에 그렇게합니다. 우리 회로의 것들이이 전자 바다에서 파도를 만들고,이 파도는 빛의 속도로 전파됩니다 ¹ . 회로에서 일반적으로 발생하는 전류에서 대부분의 전자 운동은 열 잡음으로 인한 것입니다.

이제 질문에 대답 할 수 있습니다.

전기장의 변화는 얼마나 빨리 전파됩니까? 그들이 전파하는 매체에서 빛의 속도로. 대부분의 케이블에서 이것은 진공 상태에서 빛의 속도의 60 %-90 % 부근에 있습니다.

전하 운반체는 얼마나 빨리 움직입니까? 개별 전하 운반체의 속도는 임의적입니다. 이 모든 속도의 평균을 취하면 전하 캐리어 밀도, 전류 및 도체의 단면적에 따라 약간의 속도를 얻을 수 있으며 일반적으로 구리선에서 초당 수 밀리미터 미만입니다. 그보다 일반 금속에서는 저항 손실이 높아지고 사람들은 전하를 더 빨리 움직이지 않고 와이어를 더 크게 만드는 경향이 있습니다.

추가 자료 : Bill Beaty 의 전기 흐름 속도

^{1 : 빛의 속도는 소리와 마찬가지로 빛이 전파되는 재료에 따라 다릅니다. 전파 속도를 참조하십시오 .}

이것은 실제로 전자 문제보다 물리 문제입니다. 전기 및 전자 엔지니어가 아토믹 계산을 거의 고려하지 않는 이유입니다. 전자가 전혀 움직이고 있다는 사실은 실제로 중요한 것입니다. 전자가 얼마나 빨리 움직이는지는 회로에 거의 영향을 미치지 않습니다. 엔지니어에게 유용한 것은 전하 캐리어의 저항, 커패시턴스 및 인덕턴스와 관련된 와이어 (와이어 속도)에서 최대 데이터 전송을 결정하므로 전위 (전압)가 얼마나 빠르게 변할 수 있는지 아는 것입니다. 다른 것들 사이. 이것은 또한 다른 답변들에서 논의 된 파 전파 속도와 관련이있다. 이것들은 완전히 다른 두 가지 문제입니다 ...

전기 개요

시작하려면 "전기"가 흐르지 않습니다. 전기는 전하 흐름 의 물리적 표현 입니다 . 이 용어는 광범위한 현상에 적용되지만, 가장 일반적으로 음전하를 띤 아 원자 입자 인 전자의 이동 (여기)과 관련이 있습니다. 특정 원소가 합성 될 때, 전자는 전자 구름의 가장 바깥층을 통해 한 원자에서 다음 원자로 자유롭게 이동할 수 있습니다. 도체는 전자의 흐름을 쉽게 허용하는 반면 절연체는이를 제한합니다. 실리콘과 같은 반도체는 제어 가능한 전도성을 가지므로 현대 전자 제품에 사용하기에 이상적입니다.

아시다시피 전류는 암페어 (A)로 측정됩니다. 이것은 실제로 1 초 안에 단일 지점을 통해 움직이는 전자의 수를 측정 한 것입니다.

1 Amp = 초당 쿨롱 = 6.241509324x10 ^ 18 초당 전자

도체에 전압 (전위)이 존재하는 한 (와이어, 저항, 모터 등) 전류가 흐릅니다. 전압은 두 지점 사이의 전위를 측정 한 것이므로 더 높은 전압을 사용하면 더 높은 전류 흐름, 즉 초당 포인트를 통해 더 많은 전자가 이동하게됩니다.

전자 속도

물론, 금식 알려진 속도는 빛의 속도입니다 : 3 * 10 ^ 8 m / s. 그러나 전자는 일반적으로이 속도 근처에서 움직이지 않습니다. 실제로, 그들이 실제로 얼마나 천천히 움직이는 지 알고 놀랄 것입니다.

전자의 실제 속도를 드리프트 속도라고 합니다. 전류가 흐르면 전자는 실제로 와이어를 통해 직선으로 움직이지 않지만 원자를 통해 일종의 흔들림을합니다. 전자 흐름 의 실제 평균 속도는 다음 공식을 사용하여 전류에 비례합니다.

v = I / (nAq) = 전류 / (캐리어 밀도 * 캐리어 단면적 * 캐리어 전하)

이 예제는 Wikepedia 에서 가져온 것입니다 . 왜냐하면 숫자를 직접 조회하고 싶지 않기 때문입니다 ...

1mm 직경의 구리 와이어를 통해 흐르는 3A 전류를 고려하십시오. 구리는 8.5 * 10 ^ 25 전자 / m ^ 3의 밀도를 가지며 한 전자의 전하는 -1.6 * 10 ^ (-19) Coulombs입니다. 와이어의 단면적은 7.85 * 10 ^ (-7) m ^ 2입니다. 따라서 드리프트 속도는 다음과 같습니다.

v = (3 Coulombs / s) / (8.5 * 10 ^ 25 전자 / m ^ 3 * 7.85 * 10 ^ (-7) m ^ 2 * -1.6 * 10 ^ (-19) Coulombs)

v = -0.00028 m / s

음의 속도에 주목하십시오. 전류가 실제로 반대 방향으로 흐른다는 것을 의미합니다. 그외에도, 주목해야 할 것은 이것이 실제로 얼마나 느린 지입니다. 3 암페어의 전류는 그렇게 작지 않으며 구리 와이어는 훌륭한 도체입니다! 실제로, 전하 운반체의 저항이 높을수록 속도는 빨라집니다. 이것은 샤워 헤드의 다른 설정으로 인해 동일한 물 압력이 수도꼭지에서 다른 속도로 나오는 방식과 유사합니다. 구멍이 작을수록 물이 더 빨리 나옵니다!

이것에 대한 이해

전자가 너무 느리게 움직이면 어떻게 그렇게 빨리 데이터를 전송할 수 있습니까? 아니면 어떻게 전등 스위치가 빛을 멀리서 즉시 제어 할 수 있습니까? 회로의 한 지점에서 다른 지점으로 흐르는 전자가 하나도 없기 때문에 작동하기 때문입니다. 실제로, 충분한 전위 (전압)가 가해지 자마자 회로의 모든 지점에서 많은 자유 전자가 존재합니다 (양은 캐리어 물질의 원소 구성에 따라 다름).

파이프의 물을 생각하십시오. 파이프에 물이 없을 경우 스파우트를 켤 때 물이 수도꼭지에 도달하는 데 약간의 시간이 걸립니다. 그러나 가정의 경우 파이프의 모든 지점에 이미 물이 있어야하므로 물이 켜지 자마자 수도꼭지에서 흘러 나옵니다. 그것은 이미 파이프에 있기 때문에 물 공급원에서 수도꼭지로 이동할 필요가 없습니다. 그것은 와이어와 동일합니다. 와이어에는 이미 너무 많은 전자가 있으며 전압 전위의 존재에 의해 통과되기를 기다리고 있습니다. 한 전자가 와이어의 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 데 걸리는 속도는 전혀 관련이 없습니다.

다른 한편으로, 물리적 인 매체를 통한 데이터 전송 속도는 중요하며이 훌륭한 질문과 답변 에서 논의 된 바와 같이 이론상 최대 값을 가지 므로 여기서 다루지 않겠습니다.

전자가 당신을 오도하고 있습니다. 그들을 무시하라. 어쨌든 그들은 잘못된 방향으로 간다. 사람들은 움직이는 것을 보여주는 작은 애니메이션 모델을 만드는 것을 좋아합니다. 이는 사실입니다. 전자 통신은 거의 즉각적인 것입니다. 그리고 전자는 거의 즉각적으로 움직입니다.

1. 전기는 얼마나 빨리 흐르나요?

   "전자가 얼마나 빨리 움직이는가?"라는 두 가지 해석이 있습니다. "전자 신호가 얼마나 빨리 이동합니까?"

   커트는 이미 "전자가 얼마나 빨리 움직이는가?"라고 대답했다. 와 드리프트 속도 . 그러나, 전자 신호는 전하 캐리어의 도움으로 물질을 통해 전파되는 전자기파에 의해 정의된다. 신호 는 전송 라인의 특성에 의해 영향을받는 빛의 속도의 일부에 전파됩니다 .

   이것은 고속 시스템에 대한 실제 제한을 부과합니다. 실제로 신호가 30cm의 PCB를 따라 전파되는 데 약 1 초가 걸립니다. 결과적으로 컴퓨터의 부품간에 최소 대기 시간이 있습니다.

   라인 인덕턴스 및 커패시턴스는 "날카로움"으로 에지를 만들어 라인 아래로 보내는 방법을 제한합니다. 사인파 모양으로 번질 것입니다.

   반송파를 통해 넣을 수있는 데이터의 양은 신호 대 잡음비에 따라 여전히 다릅니다. 전파 속도는 대역폭이 아닌 최소 대기 시간을 결정합니다.

2. 전자의 속도는 와이어에서와 같이 저항기에서 다른가?

3. 그게 그렇게 중요한 건가?

   위에서 우리는 전자의 속도에 대한 답이 "예"와 "아니오"라는 것을 알고 있습니다.

   전파 속도는 커패시턴스, 인덕턴스 및 전파중인 재료와 주변 절연체 모두 접지면의 유전 상수에 영향을받습니다. 따라서 신호는 다른 재료로 만들어져 보드에서 떨어져 있기 때문에 와이어보다 저항을 통해 매우 다른 속도로 신호가 전달됩니다.

4. 아니면 전자의 영향이 유일한 중요한 것인데, 추상화 수준이 낮을수록 실제로 유용하지 않습니까?

대부분의 경우 전자에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 그들은 음극선 관, 진공 형광 디스플레이 및 열이 온성 "밸브"에 직접 관여합니다.

물리학이 어렵고 때로는 직관적이지 않은 반도체의 경우에도 마찬가지이지만 회로에서 트랜지스터, FET 또는 다이오드를 사용하는 방법에 대한 기본 지식은 훨씬 간단합니다.

도미노 라인을 고려하십시오. 이 끝에 하나를 밀고 방해가 다른쪽으로 이동하십시오. 개별 조각과 교란 또는 파면의 속도는 매우 다르며 개별 조각 은 여기에서 거기로 이동하지 않습니다 .

관련있는 많은 아이디어가 있습니다

• 전자는 얼마나 빨리 움직입니까?
• 전류가 흐를 때 전자가 얼마나 빨리 표류합니까?
• 신호가 구리선을 따라 얼마나 빨리 전파됩니까

이것을 오래된 파이프 내 유추와 연관시킬 수 있습니다.

• H2O 분자는 항상 액체 상태 (또는 0 켈빈 이상인 상태)에서 흔들리고 있습니다.
• 호스 파이프의 H2O 분자도 탭에서 노즐로 천천히 이동합니다.
• 탭을 켜면 압력 파가 드리프트 속도보다 훨씬 빠르게 이동합니다.

전자에 대한 실제 답변은

• 잘 모르겠다. 2 x 10 ^ 6 m / s? ( † 참조 )
• 일반적인 값은 시간당 1 미터입니다.
• 빛의 속도의 일부. ( REF ‡)

_{† 특정 궤도에있는 전자의 경우 구리의 "자유로운"전자의 경우에는 많은 차이가있을 수 있습니다.
소금물이있는 신호의 경우 구리와는 많이 다를 수 있습니다.}

이것의 또 다른 측면 :

누구나 OP 질문에 대답하기 전에 먼저 "전기"라는 단어를 정의해야합니다. 전자가 흐를 때 "전기의 흐름"입니까? 그리고 그렇습니다! 다른 교과서는 서로 모순됩니다. 전문가가 동의 할 수있는 간단한 답변은 없습니다.

물리학에 따르면 전기량은 쿨롱으로 정의됩니다. 청구로. (예를 들어 CRC 핸드북 또는 물리 단위에 대한 NIST 또는 MKS SI 표준을 참조하십시오.)이 "전기"의 정의에 따르면 전자가 이동할 때 소량의 전기를 운반한다고합니다. 금속에서 흐르는 전기, 전류는 느리게 움직이는 전자입니다.

이것이 왜 문제입니까? 단순 : 대부분의 비 물리 교과서는 완전히 동의하지 않습니다. 대신 그들은 "전기"가 "전자 흐름"또는 전류를 의미한다고 진술한다. 그들에게 "전기"는 쿨롱이 아니라 유량입니다. 암페어. 그것들을 위해, 흐름이 멈출 때마다 "전기"가 사라졌습니다.

그러나 물리학 자들은 흐름이 멈 추면 전기가 전선에 움직이지 않고 앉아 있습니다. 암페어가 바뀌더라도 캐리어의 밀도는 변하지 않기 때문입니다. 물리학 자에게는 모든 전선이 이미 전기로 가득 차 있습니다. 항상 "전자 바다"를 포함; 모든 금속의 이동 통신사. 그러나 비 물리 교과서의 경우 와이어는 거의 전기 속도로 "전기"가 확대되는 빈 파이프와 같습니다.

그러면 전기는 무엇입니까? 물리 표준 (MKS, SI 표준 규칙)은 전기를 명확하게 정의합니다. 그러나 우리 학교 교과서는 이것을 무시하거나 물리 표준을 원하는대로 변경할 수 있다고 조용히 주장합니다. 하지 전하의 양으로,하지만 같이 대신, 교과서는 모두 매우 다른 방식으로 "전기"를 정의하는 것에 동의 흐르는 움직임 요금의.

그러면 전기는 무엇입니까? (또는 더 간결하게, 전기는 전기의 흐름인가? 전기가 흐르기 시작할 때마다이 흐름을 "... 전기?"라는 이름으로 부르는가)

:)

이 광기는 엔지니어링 언어에도 영향을 미칩니다. 물리학 자들은 전자가 금속의 전하 운반체라고 말합니다. 엔지니어들은 대신에 이것을 현재의 운반 자라고 부릅니다. 네. 대학 공학 텍스트를 확인하십시오. 물리학 자들은 전하 보존에 대해 알고 있습니다. 기본법입니다. 그러나 엔지니어들은 ... 현재 의 보존에 대해 배웁니다 ! 우리는 전류가 전선을 통해 흐르는 "재료"라고 배웁니다. EE 교과서에는 "전류 흐름"이라는 문구가 포함되어 있으며 "유동 흐름"이라는 올바른 버전을 언급하지 않는 경우는 거의 없습니다.

이러한 문제에 대한 기존 솔루션은 잘 알려져 있습니다. 표준을 개발하고 기술 용어를 좁게 정의합니다. 그런 다음 해당 언어 표준을 신중하게 준수하십시오. 널리 사용되는 정의를 사용하지 말고 독점적으로 좁은 과학 용어를 사용하십시오. 이것은 모든 안개와 BS와 혼란을 뚫습니다. 그러나 물리 표준을 사용한다는 것은 수천 개의 비 물리 과학 / 전자 / 엔지니어 교과서와 전문가 세대가 근본적인 방식으로 잘못되었다는 것을 의미하기 때문에이 경우에는 오르막길이 벌어 질 것입니다. 기본 과학 용어를 지속적으로 잘못 사용하기 때문에 많은 세대의 학생들은 이제 "전기"가 실제로 무엇인지 전혀 알지 못하므로 드리프트 속도 (충전 흐름,

더 많은 BS 절단 : 전류가 흐르지 않고 대신 전파됩니다. 우리가 막대의 한쪽 끝을 누르면 움직임이 흐르지 않습니다. 대신 파도로 전파됩니다. 회로의 전류와 동일한 것 : 전하의 흐름은 그렇지만 전류의 전파. 근시 속 전류 전파는 EM 파와 동일합니다.

마지막으로,이 중요한 질문을 스스로에게 물어보십시오. 강과 시내에서 "현재"가 흐르고 있습니까? 아니면 실제로 물이라고 불리는 것입니까?