سرعة الكهرباء

سرعة الكهرباء، هي الحركة البطيئة نسبيا للإلكترونات الحرة أوالأيونات خلال موصل كهربائي في وجود مجال كهربائي، كما تعرّف أيضا بسرعة الانجراف. جرت العادة حتى تخلط الأمور بين سرعة الكهرباء وسرعة الموجة الكهرومغنطيسية والتي لها خصائص الضوء. الموجة الكهرومغنطيسية هي المسؤولة عن نقل المعلومات أوالبيانات، وليس حركة الالكترونات.

تتحرك الالكترونات الحرة في موصل ليس به مجال كهربائي بشكل عشوائي عادة اعتمادا على كمية الحرارة المكتسبة. عند تسليط جهد كهربائي ذا تيار مستمر على طرفي الموصل فسوف تزداد حركية الالكترونات وسرعتها بشكل يتناسب طرديا مع شدة المجال المسلط كما أنها تأخذ اتجاها موحدا. في الظروف العادية تكون هذه السرعات بحدود بضعة مليمترات في الثانية الواحدة. أما عند تسليط جهد ذا تيار متناوب فإن الالكترونات تظل متذبذبة عادة في ذهابا وإيابا وقد لاتجد الفرصة لإكمال الحركة على طول الموصل (اعتمادا على جميع من شدة المجال الكهربائي وتردده). في الأحوال الطبيعية تتراوح سرعة الكهرباء بين بضعة ميليمترات في الثانية وبضعة مليمترات في اليوم إلا أنها تزداد مع زيادة كثافة التيار المار في الموصل وقد تصل إلى الاف الكيلومترات في الثانية في حالة الموصلات الفائقة.

باللقاء, تنتشر الموجة الكهرومغنطيسية حول الموصل بسرعة فائقة, اعتمادا على ثابت عازلية المادة. تكون هذه السرعة في الفراغ مساوية لسرعة الضوء في الفراغ (والهواء تقريبا)، لكنها تتأثر بوجود المواد العازلة، فمثلا عندما لايكون الموصل النحاسي مغلفا بمادة عازلة (أي أنه مكشوف) فإن سرعة موجته الكهرومغنطيسية تكون حوالي 96% من سرعة الضوء، بينما تنخفض في الكابل المحوري إلى 66% من سرعة الضوء تقريبا..

الصيغة الرياضية

تعطى سرعة الكهرباء (الالكترونات الحرة أوالأيونات) في موصل بالعلاقة:

{\displaystyle v={\frac {I {NeA ={\frac {I {N\pi r^{2 e

حيث:

{\displaystyle I\,

شدة التيار المار في الموصل (أمبير)

{\displaystyle v\,

سرعة الكهرباء (متر\ثانية)

{\displaystyle N\,

عدد حاملات الشحنة في وحدة الحجوم (متر مكعب^-1)

{\displaystyle e\,

{\displaystyle r\,

نصف قطر الموصل (بالمتر)

{\displaystyle A\,

مساحة المطع العرضي للموصل (بالمتر المربع)

العنصر	كثافة الشحنة ×10²⁸ N m^-3
نحاس	8.47
فضة	5.86
مضى	5.90
حديد	17.0
الومنيوم	18.1
رصاص	13.2

سبب سرعة استجابة الكهرباء الفائقة

قد يتساءل البعض عن السبب الذي يجعلنا نرى حتى سرعة الكهرباء عالية جدا عندما نلاحظ حتى المصباح وباقي الأجهزة الكهربائية تستجيب بمجرد غلق الدائرة الكهربائية. لتوضيح هذا السبب يمكن سرد مثال آخر في الطبيعة وهوالماء. عندماقد يكون أنبوب الماء مملوءاً ومتروكا بشكل عمودي نلاحظ أنه مهما كان بعد فتحته عن الصنبور فإن الماء يتدفق من الفوهة مباشرة بمجرد فتح هذا الصنبور. السبب هوحتى جزيئات الماء كانت موجودة مسبقاً وتشغر الفراغ الموجود في الأنبوب وبالتالي بمجرد فتح الصنبور فإن طاقة الحركة وكمية التحرك في أحد أطراف الأنبوب (عند الصنبور) تنتقل بشكل دفعة أوصدمة من جزيئ أوذرة إلى أخرى على طول الأنبوب بسرعة أعلى بكثير من حركة الماء نفسه، الأمر الذي يجعلنا نرى تدفقه لحظيا في الطرف الآخر.

كذلك الحال بالنسبة للإلكترونات أوحاملات الشحنة التي تكون موجودة أصلا في الموصل وكل مانعمله هوالتسبب بدفعها من طرف لكي تنتقل الطاقة الحركية وكمية التصادم من الكترون إلى آخر بسرعة هائلة تكون نتيجتها استجابة كهربائية على طول الموصل.

المصادر

^ Bertrand, Ron (1997). "How fast does an electric current really travel?" (PDF). Radio and Electronics School. Retrieved 2009-03-08.
^ Robert L. Boylestad (2002). . Prentice Hall. p. 72. ISBN .
^ [1]