الرئيسية » سؤال وجواب » ما هي سرعة الكترون في موصل يمر فيه تيار كهربي؟

ما هي سرعة الكترون في موصل يمر فيه تيار كهربي؟

ما هي سرعة الكترون في موصل يمر فيه تيار كهربي؟







هل الضوء الذي تشعّه الشمس والإلكترونات في الموصل يسيران بنفس السرعة؟

قد يعتقد البعض ان سرعة الالكترونات في موصل يمر فيه تيار كهربي تساوي سرعة الضوء. فهل تعتقد حقا انه إذا تم إطلاق شعاع ليزر من الأرض إلى كاشف على المريخ، وفي نفس اللحظة تم تمرير تيار كهربي عبر سلك طوله ملايين الأمتار ليربط  بين بطارية على الأرض مع مصباح كهربي على المريخ. فهل يضيء المصباح في نفس اللحظة التي يصل فيها الليزر إلى المريخ.

لماذا لا تستطيع الإلكترونات التحرك بسرعة الضوء؟

لا يستطيع الإلكترون أن يصل لسرعة الضوء في الفراغ، ناهيك عن سرعته داخل الموصل. لا يمكن للالكترون أن يتحرك بنفس سرعة الضوء لسبب بسيط هو أنه يمتلك كتلة. الضوء هو أسرع شيء في الكون لأنه لا يمتلك كتلة.

قد تكون كتلة الإلكترون صغيرة الحجم للغاية، ولكنها تكفي لمنع الجسيم من الحركة بسرعة 300 مليون متر في الثانية. في الواقع لا يعتبر الإلكترون أخف جسيم تم اكتشافه حتى الآن. فهناك جسيم النيوترينو اخف من الإلكترون بحوالي 500,000 مرة، تخيل!

سرعة الكهرباء

سرعة الالكترون الفردية

معدن مثل نحاس موصل للتيار الكهربي لأنه يمتلك إلكترونات حرة. عندما نوصل المعدن بالبطارية، يؤثر المجال الكهربائي الناتج عن البطارية قوة على الإلكترونات الحرة، ويدفعها بعيدًا عن الطرف السالب ونحو الطرف الموجب. هذا هو التدفق الذي يشكل الكهرباء.

ومع ذلك ، فإن “تدفق” الاسم قد يبدو مضللا بعض الشيء: فالكهرباء لا تتميز بتدفق مستمر من الإلكترونات التي تنجذب نحو الطرف الموجب. التعريف الدقيق يشير فقط إلى “الحركة”؛ حركة عشوائية وعشوائية تماما من الإلكترونات. فهي تتعثر بلا توقف وتصطدم ليس فقط في بعضها البعض، ولكن أيضا بقية ذرات المعدن في طريقها نحو الطرف الاخر. هذا يفسر بشكل واضح وجود المقاومة: التصادمات تولد الحرارة في داخل مادة الموصل وتعوق حركتها، وبالتالي تقلل من قيمة التيار.

ما هي سرعة الكترون في موصل يمر فيه تيار كهربي؟

إن سرعة إلكترون المنفرد هي بالتالي سرعته بين الاصطدامات. كم من الوقت يستغرقه الإلكترون للانتقال نانومتر واحد؟ وقدرت سرعة الالكترون الفردي بحوالي بضعة ملايين من الأمتار في الثانية. ومع ذلك، ولأن حركتها عشوائية وبسبب التصادمات، فإن كل إلكترون يتحرك بسرعة مختلفة.




متوسط السرعة أو سرعة التدفق (الانجراف)

بسبب اختلاف سرعة الالكترون من واحد لآخر، يجب أن نأخذ متوسط سرعة كل إلكترون قبل وبعد التصادم. تعرف السرعة المتوسطة بسرعة التدفق أو الانجراف وتعتبر هي السرعة التي تتحرك بها الكهرباء.

تنتقل بعض الإلكترونات بسرعة كبيرة، بينما البعض الآخر لا يفعل ذلك. من الواضح أن المعدل سيكون أقل بكثير من مليون متر في الثانية. لكن ما يثير الدهشة هو أن متوسط السرعات يصل إلى قيمة لم يتخيلها المرء. وتبلغ سرعة الانجراف للإلكترونات عبر سلك نحاسي مساحة مقطعه 3×10-6 متر مربع، يحمل تيارا كهربائيا مقداره 10 امبير، حوالي 2.5×10-4 متر في الثانية، أو ربع مليمتر في الثانية الواحدة!

ما هي سرعة الكترون في موصل يمر فيه تيار كهربي؟

تزداد سرعة الانجراف مع زيادة في جهد التيار المستمر، ولكنها تبقى ثابتة سواء مع زيادة أو انخفاض جهد التيار المتردد. سرعة انجراف التيار المتردد AC تبلغ أقل بحوالي مائة إلى ألف مرة من سرعة الانجراف في تيار التيار المستمر. حيث تصل سرعة الانجراف للالكترونات عبر نفس السلك النحاسي عندما يمر فيه تيارا مترددا حوالي 0.25 ميكرومتر في الثانية.

تذكر أن الإلكترونات التي تشكل التيار المتردد، تختلف عن تلك التي تشكل التيار المستمر، حيث انها لا تتحرك خطياً إلى الأمام، بل بدلاً من ذلك فانها تتناوب بين طرفي البطارية ولك ان تتخيل انها لا تدخل حتى في الدائرة الكهربائية على الاطلاق!

سرعة الاشارة (الأمواج الكهرومغناطيسية)

وأخيرا، يعتقد عدد قليل من الناس أن الكهرباء تنتقل بسرعة الضوء لأنهم يخلطون بين سرعة الإلكترونات الفردية مع سرعة الموجات الكهرومغناطيسية التي تشعها الإلكترونات.

صحيح أن الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر بسرعة الضوء؛ والضوء نفسه هو موجة كهرمغنطيسية. ومع ذلك، فإن سرعة الموجة الكهرومغناطيسية تختلف مع خصائص الوسط الذي تنتقل فيه. إن الموجات التي تشعها الإلكترونات تسير بسرعة 300 مليون متر في الثانية في الفراغ.

قد تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية، أو ما يسمى بالإشارة، ما بين 50٪ إلى 90٪ من سرعة الضوء اعتمادًا على ما إذا كانت الإلكترونات تتحرك في موصل “جيد التوصيل” أو “رديء التوصيل”. إذا تحركت الإلكترونات بسرعة انجرافها البطيئة لإكمال الدائرة الكهربية، فكيف يتوهج المصباح في غرفة نومك على الفور تقريباً؟ حسنًا، لأن تأثير الموجات الكهرومغناطيسية أو الإشارة ينتشر، بسرعة كبيرة.

ما هي سرعة الكترون في موصل يمر فيه تيار كهربي؟

فكر في الأمر على النحو التالي: تخيل مجموعة من الأشخاص الغير صبورين في طابور. وفجأة، يقوم شخص ما في الطابور بدفع الشخص الذي أمامه إلى الأمام. إن الدفع هو بمثابة الإشارة التي تنتقل على الفور، لكن الشخص نفسه الذي تسبب بالدفع قد لا يتحرك من مكانه. فإذا كان هؤلاء الاشخاص قد اصطفوا لدخول باب قطار، فمن المؤكد أن الدفع الذي تسبب به شخص في الخلف سوف يؤدي إلى صعود أول شخص على الباب إلى القطار بدون ان يتحرك الطابور نفسه. وهذا تماما ما يحدث عندما تتصادم الإلكترونات فإن الإشارة هي التي تنطلق بسرعة وليس الالكترون.




تعليقات

تعليقات

عن الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email skhazem@gmail.com

تفضل بزيارة صفحتي
تصفح كل مقالاتي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.