מהירות האלקטרונים במוליך מתייחסת לתנועה האיטית יחסית של אלקטרונים חופשיים (או יונים) במוליך בנוכחות שדה חשמלי.
מהירות זו נקראת מהירות סחיפה (drift velocity). אנשים נוטים לבלבל את מושג מהירות התקדמות של גל אלקטרומגנטי עם מהירות הסחיפה של אלקטרונים. זה הגל האלקטרומגנטי שבדרך כלל מעביר מידע ולא תנועת האלקטרונים!
אלקטרונים חופשיים במוליך מתנודדים בצורה אקראית, אך ללא קיומו של שדה חשמלי אין למעשה מהירות נטו. כאשר מתח ישר (DC) מופעל, מהירות האלקטרונים תגדל בצורה פרופורציונלית לעוצמת השדה החשמלי. מהירויות אלו הן מסדר גודל של של מילימטרים לשניה. (מתח חלופין (AC) גורם לאפס של תנועה נטו; האלקטרונים מתנודדים קדימה ואחורה בתגובה לשדה החשמלי החילופי.) בניגוד מוחלט, התקדמות של גלים אלקטרומגנטיים היא גבוהה בהרבה ותלויה בקבוע הדיאלקטרי של החומר שבו הגל עובר. בוואקום (ריק) הגל האלקטרומגנטי מתקדם במהירות האור C.
מהירות הסחיפה היא המהירות הממוצעת שהאלקטרון משיג עקב נוכחות של שדה חשמלי. באופן כללי, אלקטרון יתנודד לו בצורה אקראית במוליך. אם נפעיל שדה חשמלי, הוא יתן לתנועה האקראית מהירות נטו קטנה בכיוון מסויים. אגב, בריק, אלקטרונים יאיצו באופן קבוע בשדה חשמלי על פי החוק השני של ניוטון. מהירות הסחיפה שווה למכפלת השדה החשמלי בניידות האלקטרונים (electron mobility). כלומר, ניידות אלקטרונים היא למעשה היחס בין מהירות הסחיפה של אלקטרונים לשדה החשמלי בחומר שגורם לסחיפה.
על מנת לחשב את מהירות הסחיפה של האלקטרונים במוליך, אנו צריכים לדעת את צפיפות המטען של החומר. במילים אחרות, אנו צריכים לדעת את מספר האלקטרונים החופשיים ליחידת נפח. מכיוון שאיננו יכולים ויזואלית למדוד את מהירות האלקטרונים, אנו מחשבים זאת בדרכים עקיפות. נניח שיש לנו נורה של 100 וואט, סגורה במעגל חשמלי של זרם ישר של 100 וולט. הזרם שהנורה תניע יהיה 1 אמפר ל 100 וואט. נניח כי המוליך הינו נחושת בעל קוטר של 0.2 ס"מ. בנחושת (בטמפרטורת החדר) יש אלקטרון נייד (חופשי) אחד פר אטום. מספר האלקרונים הניידים (1 פר אטום) פר סנטימטר מעוקב לנחושת הוא 8.5 כפול 10 בחזקת 22.
חישוב פשוט יראה לנו שהמהירות הינה:
V= 0.00234 ס"מ לשנייה או V= 2.0 מטר ליום. מהירות זו היא אכן איטית!!!
החישוב נעשה עבור מתח ישר (DC). עבור מתח חילופין (AC) מהירות האלקטרונים תהיה זהה אך האלקטרונים במקרה זה ינועו קדימה ואחורה ולמעשה לא ילכו לאף מקום. יש לציין שאלקטרונים במוליך אינם עומדים מלכת. הם מתנודדים להם באופן קבוע גם כאשר יש אפס זרם חשמלי. אך תנועה שכזו אינה זרם אלא יותר כתנודות.
על כן, טעות לחשוב שאלקטרונים במוליך נעים במהירות הקרובה למהירות האור (כמו התקדמות של גלים אלקטרומגנטיים). גוף בעל מסה המואץ למהירות האור, מסתו גדלה ומסה זו שואפת לאינסוף כאשר המהירות שואפת למהירות האור.
נשאלת השאלה, מדוע חשמל נראה לנוע כנע מהר מאוד? הפעולה החשמלית לאורך מרחק בתוך מוליכים הינה מהירה משום שהאלקטרונים למעשה כבר נמצאים בתוך המולכים ומחכים לנוע ולנוע לאורך המעגל החשמלי. הדבר דומה לצינור המלא בגולות. ברגע שגולה אחת יוצאת מקצה הצינור, באופן כמעט מיידי גולה שנייה יוצאת לא משנה כמה ארוך הוא הצינור. האפקט של זרם חשמלי במרחק הוא כמעט מיידי (אך הוא לא יכול להיות בן רגע!)
החשמל נראה לנו כזורם במהירות גבוהה הוא עקב אפקט הדומינו של האלקטרונים הטעונים מטען חשמלי שממלאים מלכתחילה את כל אורך המעגל החשמלי. זו הסיבה שאנחנו מפעילים את המתג במעגל חשמלי הנורה נראית כנדלקת "כהרף עין".
מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
