電気の流れはどれくらいですか？

時々、電気の低レベルの物理学について混乱します。「どのように電気が回路に電力を供給しているのか」で思いつきましたが、私はそれを完全に理解していません。

電気の流れはどれくらいですか？電子の速度は、抵抗器とワイヤの速度で異なりますか？それは重要ですか？それとも、電子の効果が唯一の重要なものであり、抽象化のレベルが低いと実際には役に立たないでしょうか？

このトピックに関する資料が既にあることは知っていますが、そのうちのいくつかを読みました。このサイトに質問があると、昔からの質問に対する興味深い答えが生まれるかもしれません。

ボーナスポイント：

• よくある誤解の特定と解消
• 高校の卒業証書を持っている人が理解できるように説明します。

電気の流れはどれくらいですか？これは簡単な質問のように思えますが、通常は根本的な誤解を示しているため、これは良い質問です。質問に答える最初の困難は、電気とは何かを知ることです。もしかして：

1. 電界の変化はどれくらい速く伝播しますか？または...
2. 電荷キャリアはどのくらいの速度で移動しますか？

通常、この質問をする人は実際には前者を気にしますが、後者については考えています。しかし、違いを明確に理解していないため、彼らの根底にある懸念は、実際に一歩下がって問題につながる根本的な誤解に対処せずに対処することはできません。

これは理解できます。力があり、力を伝達するものがあり、それらは同じものではありません。次に例を示します。私はロープの一方の端を持ち、もう一方の端を持っています。あなたの注意を引きたいときは、ロープを引っ張ります。ロープがあり、引っ張りがあります。タグボートは、ロープ内の音速でロープを下る力の波として移動します。ロープ自体は他の速度で動きます。

2つの見張り塔があり、接近する侵略者を見ると、もう1つの塔に向かって叫ぶとしましょう。音は音の速度で空中を波として伝わります。空気中の分子はどれくらいの速さで動きますか？手入れする？

分子の動きが実際に説明されるまでこれを手放さない人もいますが、それは通常彼らの懸念とは関係ありません。答えは次のとおりです。分子は常にランダムな方向に飛び回っています。気温がゼロではないため、飛び回っています。いくつかは非常に高速です。いくつかは非常に遅いです。彼らはいつもお互いにぶつかります。それは非常にランダムです。

あなたが叫ぶとき、声道は空気の一部を圧縮します（そして、声帯が振動するとき、まれに）。この圧縮された領域の分子は、圧力の低い領域に移動したいので、移動します。しかし、この近くの領域は空気が多すぎて、周囲の空気よりも少し圧縮されているため、圧縮された領域はもう少し外側に広がります。この圧縮の波は音速で空気中を移動します。

これはすべて、前述の分子のランダムな動きに重ねて発生します。あなたの声道にあった同じ分子が、リスナーの耳で振動する分子になることはまずありません。個々の分子を見ると、それらがすべての方向に向かっているのを観察できます。それらの多くを観察した場合にのみ、わずかに多くが別の方向に対して一方向に行ったことに気付くでしょう。熱雑音による分子のランダムな動きが、音による動きよりもはるかに大きいことは、「音」と呼ぶすべてのものに当てはまります。「音」がより適切な動きになると、「音」ではなく「爆発」と呼ぶ傾向があります。

電気の状況はそれほど変わりません。金属導体は、回路全体をランダムな方向に自由にさまよい回る電子でいっぱいです。私たちの回路内のものは、この電子の海で波を作り、これらの波は光の速度で伝播します¹。回路で通常発生する電流では、電子の動きのほとんどは熱ノイズによるものです。

これで、質問に答えることができます。

電界の変化はどれくらい速く伝播しますか？それらが伝播している媒体の光の速度で。ほとんどのケーブルでは、これは真空中の光の速度の60％から90％の近くにあります。

電荷キャリアはどのくらいの速度で移動しますか？個々の電荷キャリアの速度はランダムです。これらすべての速度の平均を取ると、電荷キャリア密度、電流、および導体の断面積に依存する速度を得ることができます。通常、銅線では1秒あたり数ミリメートル未満です。それより上では、通常の金属では抵抗損失が大きくなり、人々は電荷をより速く動かすのではなく、ワイヤを大きくする傾向があります。

さらに読む：Bill Beatyによる電気の流れの速度

^{1：光の速度は、音と同様に、光が伝播する材料に依存します。波の伝播速度を参照してください。}

これは実際には電子工学よりも物理学の問題です...電気および電子技術者である理由は、このような原子以下の計算をほとんど考慮しません。電子がまったく動いているという事実は本当に重要なことであり、電子がどれほど速く動くかは回路にほとんど影響を与えません。エンジニアにとって役立つのは、電荷キャリアの抵抗、静電容量、およびインダクタンスに関連するワイヤ上の最大データ伝送（ワイヤ速度）を決定するため、電位（電圧）がどれだけ速く変化できるかを知ることです。とりわけ。これは、他のいくつかの回答で説明されている波の伝播速度にも関連しています。これらは2つの完全に異なる問題です...

電気の概要

まず、「電気」は流れません。電気は、電荷の流れを物理的に表したものです。この用語は広範な現象に適用されますが、最も一般的には電子の動き（励起）-負に帯電した亜原子粒子に関連しています。特定の元素が複合化されると、電子は電子雲の最外層を自由に移動して、ある原子から次の原子に移動できます。導体は電子の流れを容易に許容し、絶縁体はそれを制限します。半導体（シリコンなど）は制御可能な導電性を備えているため、最新の電子機器での使用に最適です。

ご存知のように、電流はアンペア（amp）で測定されます。これは実際には、1秒間に1つのポイントを通過する電子の数の測定値です。

1アンペア= 1クーロン/秒= 6.241509324x10 ^ 18電子/秒

導体の両端に電圧（電位）が存在する限り、（ワイヤ、抵抗、モーターなど）電流が流れます。電圧は2点間の電位の測定値であるため、電圧を高くすると、より高い電流が流れます。つまり、1秒あたりのより多くの電子の移動が可能になります。

電子速度

もちろん、空腹時の既知の速度は光の速度です：3 * 10 ^ 8 m / s。ただし、電子は通常、この速度付近では移動しません。実際、彼らが実際にどれだけゆっくり動くかを知って驚くでしょう。

電子の実際の速度はドリフト速度として知られています。電流が流れると、電子は実際にはワイヤを通り抜けて直線的に移動するのではなく、原子の中を揺れ動きます。電子流の実際の平均速度は、次の式を使用して電流に比例します。

v = I /（nAq）=電流/（キャリア密度*キャリア断面積*キャリア電荷）

この例は、自分で数字を調べたくなかったので、Wikepediaから取られました ...

直径1mmの銅線に3Aの電流が流れると考えてください。銅の密度は8.5 * 10 ^ 25電子/ m ^ 3で、1電子の電荷は-1.6 * 10 ^（-19）クーロンです。ワイヤの断面積は7.85 * 10 ^（-7）m ^ 2です。したがって、ドリフト速度は次のようになります。

v =（3クーロン/秒）/（8.5 * 10 ^ 25電子/ m ^ 3 * 7.85 * 10 ^（-7）m ^ 2 * -1.6 * 10 ^（-19）クーロン）

v = -0.00028 m / s

負の速度に注意してください。これは、通常考えられる反対方向に電流が実際に流れることを意味します。それとは別に、注意すべき唯一のことは、これが実際にどれだけ遅いかです。3アンペアの電流はそれほど小さくなく、銅線は優れた導体です！実際、電荷キャリアの抵抗が高いほど、速度は速くなります。これは、シャワーヘッドの設定を変えると、同じ圧力の水が異なる速度で蛇口から出てくることに似ています。穴が小さいほど、水は速く出なければなりません！

これを理解する

電子の動きが非常に遅い場合、データを非常に速く送信するにはどうすればよいですか？それとも、光スイッチはどのようにして遠くから瞬時に光を制御することができますか？これは、何かが機能するために回路内のあるポイントから別のポイントに流れる必要のある単一の電子がないためです。実際、回路のすべてのポイントには、十分な大きさの電位（電圧）が印加されるとすぐに移動する自由電子がたくさんあります（量はキャリア材料の元素構成に依存します）。

パイプ内の水を考えてください。パイプ内に最初から水がない場合、スパウトがオンになっているときに水が蛇口に達するまでに時間がかかります。ただし、家では、パイプのすべてのポイントにすでに水があるはずなので、水はスイッチを入れるとすぐに蛇口から流れ出します。すでにパイプ内にあるため、水源から蛇口まで移動する必要はありません。水が通る可能性を待つだけです。ワイヤでも同じです。ワイヤにはすでに非常に多くの電子があり、電位の存在によって押し出されるのを待っています。ある電子がワイヤのあるポイントから別のポイントに移動するのにかかる速度は、完全に無関係です。

一方、この素晴らしい質問と回答で説明したように、物理メディアを介したデータ転送の速度は重要であり、理論的な最大値を持っているため、ここでは説明しません。

電子はあなたを誤解させます。それらを無視します。とにかく、彼らは間違った方向に進みます。人々は動き回る小さなアニメーションモデルを作成するのが大好きです-これは真実であり、電子通信が瞬時に近いことを確認します-真実であり、電子がほぼ瞬時に移動すると結論付けます-これは偽です。

1. 電気の流れはどれくらいですか？

   考えられる解釈は2つあります。「電子の移動速度はどれくらいですか？」「電子信号はどれくらいの速度で移動しますか？」

   カートはすでに「電子の移動速度」と回答しています。ドリフト速度。ただし、電子信号は、電荷キャリアの助けを借りて材料内を伝播する電磁波によって定義されます。信号は、伝送ラインの特性の影響を受けて、光の速度の一部で伝播します。

   これは、高速システムに実際の制限を課します。実際には、信号がPCBの30cmに沿って伝搬するのに約1秒かかります。結果として、コンピューターの各部分間に最小の遅延があります。

   ラインのインダクタンスとキャパシタンスは、エッジを作成してラインに送る「シャープ」の方法を制限します。正弦波形状に向かって塗りつぶされます。

   キャリアを介して送信できるデータの量は、信号対雑音比によって支配されていることに注意してください。伝搬速度は、帯域幅ではなく最小遅延を決定します。

2. 電子の速度は、抵抗器とワイヤの速度で異なりますか？

3. それは重要ですか？

   上記から、電子の速度に対する答えは「はい」と「いいえ」であることがわかります。

   波の伝播速度は、伝播する材料とグランドプレーンへの近くの絶縁体の両方のキャパシタンス、インダクタンス、および誘電率の影響を受けます。したがって、信号は異なる材料で作られており、ボードから離れているため、信号はワイヤとは非常にわずかに異なる速度で抵抗を介して伝播します。

4. それとも、電子の効果が唯一の重要なものであり、抽象化のレベルが低いと実際には役に立たないでしょうか？

ほとんどの場合、電子について心配する必要はありません。彼らは、陰極線管、真空蛍光ディスプレイ、熱電子「バルブ」に直接関与します。

これは物理学が困難で直観に反する場合もある半導体にも当てはまりますが、トランジスタ、FET、またはダイオードを回路で使用する方法の基本的な知識ははるかに簡単です。

ドミノのラインを考えてください-この端で一方を押してください、そして、妨害はもう一方に移動します。個々のピースの速度と外乱または波面の速度は非常に異なり、個々のピースはここからそこへ移動しません。

気の利いたアイデアがたくさんあります

• 電子はどのくらいの速度で移動しますか？
• 電流が流れているとき、電子はどのくらい速くドリフトしますか？
• 銅線に沿って信号が伝搬する速度

これを古いパイプ内の水との類推に関連付けることができます

• H2O分子は常に液体状態（または0ケルビン以上の状態）で揺れています。
• ホース内のH2O分子もタップからノズルにゆっくりと移動します
• タップをオンにすると、圧力波はドリフト速度よりもはるかに速く移動します。

電子の実際の答えは

• わからない、かなり速い。2 x 10 ^ 6 m / s？（参照 †）
• 一般的な値は、1時間あたり1メートルです。
• 光の速度のほんの一部。（参照 ‡）

_{†特定の軌道の電子の場合、おそらく銅の「自由な」電子の場合は大きく異なります:-)。
‡塩水の信号の場合、おそらく銅では大きく異なります:-)}

これの別の側面：

誰もがOPの質問に答える前に、まず「電気」という言葉を定義する必要があります。電子が流れるとき、それは「電気の流れ」ですか？いいえ。そして、はい！異なる教科書は互いに矛盾しています。専門家が同意できる簡単な答えはありません。

物理学によると、電気の量はクーロンとして定義されています。チャージとして。（たとえば、CRCハンドブックを参照してください。または、NIST、または物理ユニットのMKS SI標準。）この「電気」の定義の下では、電子は移動しながら少量の電気を運んでいます。金属では、流れる電気、電流はゆっくりと流れる電子です。

なぜこれが問題なのですか？シンプル：物理学以外のほとんどの教科書はまったく同意しません。代わりに、「電気」は「電子の流れ」または電流を意味すると述べています。彼らにとって、「電気」はクーロンではなく、流量です。アンペア。彼らにとって、流れが止まるたびに、「電気」は消えてしまいました。

しかし、物理学者にとっては、流れが止まると、アンペアが変化してもキャリアの密度は変わらないため、電気はワイヤ内で動かないままです。物理学者にとって、すべてのワイヤはすでに電気で満たされています。常に「電子の海」を含む。すべての金属の携帯電話会社。しかし、物理学以外の教科書では、ワイヤは「電気」がほぼ光速でズームする空のパイプのようなものです。

それでは電気は何ですか？物理標準（MKS、SI標準規約）は電気を明確に定義しています。しかし、私たちの教科書はこれを無視しているか、物理学の基準を望み通りに変更できると静かに見せかけています。代わりに、学校の教科書はすべて、「電気」を非常に異なる方法で定義することに同意しています。電荷の量ではなく、電荷の流れる動きとして定義しています。

それでは電気は何ですか？（あるいはもっと面白く、電気は...電気の流れですか？そして、電気が流れ始めるたびに、この流れを「...電気？」という名前で呼びますか？）

:)

この狂気は工学言語にも感染します。物理学者は、電子は金属の電荷キャリアであると言います。代わりにエンジニアはそれらを...現在のキャリアと呼んでいますか？うん。大学の工学テキストを確認してください。物理学者は電荷の保存について知っています。基本的な法律です。しかし、エンジニアは... 電流の保存について学びます！ 電流はワイヤを流れる「もの」であると教えられています。EEの教科書には「流れの流れ」というフレーズがあふれていますが、正しいバージョンである「充電の流れ」について言及することはめったにありません。

このような問題に対する従来の解決策はよく知られています。標準を開発し、専門用語を狭く定義します。次に、これらの言語標準を注意深く守ってください。一般的な定義を使用せずに、狭い科学用語のみを使用してください。これにより、すべての霧とBSと混乱が解消されます。しかし、物理標準を使用すると、数千の非物理科学/電子工学/技​​術者の教科書と何世代もの専門家が根本的に間違っているため、この場合は困難な戦いがあります。基本的な科学用語の絶え間ない誤用のため、多くの世代の学生は「電気」が実際に何であるかを知らないため、ドリフト速度（電荷の流れ、

より多くのBSカット：電流は流れず、代わりに伝播します。ロッドの一端を押すと、動きは流れません。代わりに、波として伝播します。回路の電流についても同じことが言えます。電荷の流れはありますが、電流の波動伝播です。電流のほぼ光速の伝搬は、EM波と同じものです。

そして最後に、この非常に重要な質問を自問してください。川や小川では、「現在」が流れていますか？それとも、実際に「水」と呼ばれるものですか？