Это действительно больше физический вопрос, чем вопрос электроники ... Причина в том, что инженеры-электрики и электроники редко (если вообще когда-либо) рассматривают такие субатомные вычисления. Факт, что электроны движутся вообще, - вот что действительно имеет значение, то, как быстро они движутся, не имеет большого значения для цепи. Инженеру может быть полезно знать, как быстро может изменяться электрический потенциал (напряжение), поскольку это будет определять максимальную передачу данных по проводу (скорость провода), которая связана с сопротивлением, емкостью и индуктивностью носителя заряда, между прочим Это также связано со скоростью распространения волны, обсуждаемой в некоторых других ответах. Это две совершенно разные проблемы ...
Обзор электричества
Для начала «электричество» не течет. Электричество - это физическое проявление потока электрического заряда. Хотя этот термин относится к широкому спектру явлений, он чаще всего связан с движением (возбуждением) электронов - отрицательно заряженных субатомных частиц. Когда определенные элементы составлены, электроны могут свободно перемещаться через самый внешний слой электронного облака от одного атома к другому. Проводник легко пропускает поток электронов, а изолятор ограничивает его. Полупроводники (например, кремний) обладают контролируемой проводимостью, что делает их идеальными для использования в современной электронике.
Как вы знаете, электрический ток измеряется в амперах (амперах). Это действительно измерение того, сколько электронов движется через одну точку за одну секунду:
1 ампер = 1 кулон в секунду = 6,241509324x10 ^ 18 электронов в секунду
Пока на проводнике присутствует напряжение (потенциал), ток (провод, резистор, двигатель и т. Д.) Будет течь. Напряжение представляет собой измерение электрического потенциала между двумя точками, поэтому более высокое напряжение позволит обеспечить более высокий ток, то есть движение большего количества электронов через точку в секунду.
Скорость электрона
Конечно, известная скорость голодания - это скорость света: 3 * 10 ^ 8 м / с. Тем не менее, электроны, как правило, не движутся где-либо рядом с этой скоростью На самом деле, вы будете удивлены, узнав, как медленно они на самом деле двигаются.
Фактическая скорость электрона называется скоростью дрейфа . Когда течет ток, электроны на самом деле движутся не по прямой линии, а через проволоку, а как бы перемешиваются между атомами. Фактическая средняя скорость потока электронов пропорциональна току по следующей формуле:
v = I / (nAq) = ток / (плотность носителей * площадь поперечного сечения носителей * заряд несущих)
Этот пример взят из Wikepedia , потому что я не хотел сам искать цифры ...
Рассмотрим ток 3 А, протекающий через медный провод диаметром 1 мм. Медь имеет плотность 8,5 * 10 ^ 25 электронов / м ^ 3, а заряд одного электрона составляет -1,6 * 10 ^ (- 19) кулонов. Провод имеет площадь поперечного сечения 7,85 * 10 ^ (- 7) м ^ 2. Следовательно, скорость дрейфа будет:
v = (3 кулона / с) / (8,5 * 10 ^ 25 электронов / м ^ 3 * 7,85 * 10 ^ (- 7) м ^ 2 * -1,6 * 10 ^ (- 19) кулонов)
v = -0.00028 м / с
Обратите внимание на отрицательную скорость, подразумевая, что ток действительно течет в противоположном направлении, как обычно думают. Кроме того, единственное, что нужно заметить, это то, насколько медленно это происходит на самом деле. Ток 3 А не такой маленький, а медный провод - отличный проводник! На самом деле, чем выше сопротивление в носителе заряда, тем выше будет скорость. Это похоже на то, как различные настройки насадки для душа будут вызывать одинаковое давление воды из крана на разных скоростях. Чем меньше отверстие, тем быстрее должна выходить вода!
Смысл этого
Если электроны движутся так медленно, то как можно передавать данные так быстро? Или даже, как выключатель света может управлять светом мгновенно с такого расстояния? Это потому, что нет ни одного электрона, который должен течь из одной точки в цепи в другую, чтобы что-то работало. На самом деле, в каждой точке цепи всегда много свободных электронов (количество зависит от элементного состава материала носителя), которые перемещаются, как только прикладывается достаточно большой потенциал (напряжение).
Подумайте о воде в трубе. Если в трубе нет воды, для начала потребуется некоторое время, чтобы вода достигла крана при включенном изливе. Однако в доме уже должна быть вода во всех точках трубы, поэтому вода вытекает из крана, как только он включается. Он не должен перемещаться от источника воды к крану, потому что он уже находится в трубе, просто ожидая возможности протолкнуть его. То же самое и с проводом: в проводе уже так много электронов, просто ожидающих, чтобы их протолкнуло наличие потенциала напряжения. Скорость перемещения одного электрона из одной точки провода в другую совершенно не имеет значения.
С другой стороны, скорость передачи данных через физический носитель важна и имеет теоретический максимум, как обсуждалось в этом замечательном вопросе и ответах, поэтому я не буду вдаваться в подробности .