Annons

Hur fort går elektronerna till lampan?

Jag och en arbetskamrat tvistar om hur snabbt elektroner rör sig i en vanlig kopparledning till en lampa. Jag anser att elektronerna rör sig med flera kilometer per sekund, medan han hävdar att det är högst 1 millimeter per sekund.

Av: 

Publicerad:

2005-12-01

Svar:

Ni har bägge rätt på var sitt sätt, för man måste skilja mellan hur snabbt den enstaka elektronen rör sig och hur snabbt den elektriska strömmen kommer fram.

Elektronerna i exempelvis en kopparkabel rör sig fram och tillbaka mycket snabbt med en hastighet som kallas Fermihastigheten (efter den italienske fysikern Enrico Fermi). I koppar är Fermihastigheten omkring 1 600 kilometer per sekund. Hastigheten beror på energin hos de elektroner som kan bidra till den elektriska ledningsförmågan. Men den snabba rörelsen är slumpmässig åt alla håll. Elektronerna krockar då och då med kopparatomerna, eller med olika defekter i kopparn, och byter då riktning.

När man lägger på en spänning över kabeln förändras bilden. Förutom slumprörelsen fram och tillbaka driver den elektriska spänningen fram elektronerna så att en ström börjar flyta. Notera att elektronerna rör sig i motsatt riktning som strömriktningen (eftersom elektronerna har negativ laddning). I koppar driver då elektronerna framåt med en hastighet som är omkring 1 millimeter per sekund. Den legendariske föreläsaren i elektromagnetism på KTH under 1950- och 60-talen, professor Erik G. Hallén, uttryckte detta som att "elektronerna välla långsamt fram i metallen". Det går ganska lätt att räkna ut hur fort elektronerna väller fram om man känner till tätheten av elektroner i materialet, den elektriska strömmen och ledarens tvärsnittsarea (se länkhänvisningen).

Den långsamma driftshastigheten kan verka förvirrande. Var och en som tänder en lampa, eller ringer i telefon, inser ju att en elektrisk signal inte kan irra fram så långsamt genom tråden. Det gör den inte heller. En elektrisk signal färdas genom tråden som en våg. Signalens hastighet beror inte på hur fort elektronerna rör sig, utan på hur fort en elektromagnetisk våg kan ta sig fram genom materialet. Vågens hastighet är ungefär densamma som ljushastigheten, alltså 300 000 kilometer per sekund.

När signalen går genom ledaren knuffar elektronerna varandra. Från den första elektronen i början av ledningen fortplantas knuffen nästan direkt till den elektron som är närmast slutet. Man kan också jämföra med när publiken "gör vågen" på en hockeymatch. Vågen far snabbt runt arenan, medan man själv sitter kvar på sin plats. Vågen sveper runt hela arenan snabbare än någon i publiken skulle kunna springa samma väg.

Forskning & Framsteg berättar om fackgranskade forskningsresultat och om pågående forskning. Våra texter ska vara balanserade och trovärdiga, och sätta forskningsresultaten i sitt sammanhang för att göra dem begripliga. Forskning & Framsteg har rapporterat om vetenskap sedan 1966.

1