Quanto sono veloci gli elettroni in un cavo? E la corrente scorre alla stessa velocità? Che dire, invece, dei segnali elettrici?
Ti sei mai chiesto qual è la velocità dei segnali elettrici? Prima di rispondere a questa domanda, onde evitare confusione, conviene distinguere tra le seguenti tre diverse velocità: quella di un singolo elettrone, quella di deriva degli elettroni e quella del segnale elettrico vero e proprio.
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Che cosa è la corrente elettrica
Per comprendere ciascuna di queste velocità è necessario farsi un’idea generale del concetto di corrente elettrica. Si tratta semplicemente dello spostamento di cariche elettriche, in questo caso elettroni. Trattandosi di particelle elementari, una descrizione più rigorosa della dinamica degli elettroni richiederebbe il ricorso alla fisica quantistica, ma ciò ora non è necessario, per cui possiamo limitarci a quella classica. In prima approssimazione, pertanto, puoi immaginare gli elettroni come piccole palline che rimbalzano all’interno di una griglia costituita da atomi immobili tra loro e che, nell’esempio che faremo, formano un cavo in metallo.
Velocità di un singolo elettrone
Ogni elettrone libero si muove costantemente in linea retta finché non si scontra con un atomo, dopodiché cambia direzione e prosegue nuovamente in linea retta fino alla collisione successiva. La velocità effettiva di un singolo elettrone corrisponde alla distanza media che questa particella in un secondo percorre tra una collisione e l’altra. Tale velocità è tipicamente di milioni di chilometri all’ora.
Velocità di deriva degli elettroni
Quando colleghi le estremità di un cavo a una batteria, viene prodotto un campo elettrico che punto in direzione del cavo stesso. Agli elettroni liberi viene così applicata una forza elettrica che li accelera lungo la direzione del campo ma nel verso opposto (tale verso è dovuto alla negatività della carica degli elettroni). Mentre gli elettroni continuano a scontrarsi con gli atomi, dunque, si spostano nella direzione opposta al campo elettrica. La velocità media alla quale gli elettroni si muovono lungo il cavo prende il nome di ‘velocità di deriva’. Essa assume valori tipici con ordine di grandezza inferiore al metro orario.
Velocità del segnale elettrico
In fine, trattiamo finalmente la velocità con cui gli effetti elettromagnetici viaggiano lungo un filo. Per fare ciò, bisogna considerare che due elettroni, possedendo carica elettrica dello stesso segno, si respingono e, inoltre, quanto più sono vicini tanto più forte si respingono. Ma facciamo un’analogia: immagina una lunga fila di persone davanti a una porta. Supponiamo che ciascuna di esse si agiti impaziente di raggiungere la porta stessa. L’ultimo della fila si spazientisce al punto da spingere chi gli si trova immediatamente davanti. A turno, quando una persona in fila riceve una spinta da chi gli sta dietro, essa spinge a sua volta chi gli si trova davanti. La spinta verrà quindi trasmessa da persona a persona attraversando l’intera fila. Il punto è che la spinta raggiunge la porta prima che lo faccia l’ultima persona in fila.
In questa analogia, le persone rappresentano gli elettroni, le loro braccia l’azione del campo elettrico e la spinta un segnale elettrico. Dunque, la velocità con cui ogni persona urta la successiva rappresenta la velocità individuale dell’elettrone, la velocità con cui ogni persona avanza lungo la fila rappresenta la velocità di deriva dell’elettrone e la velocità con cui la spinta viaggia attraverso la linea rappresenta la velocità del segnale elettrico. Quest’ultima è piuttosto vicina alla velocità della luce nel vuoto, essendo generalmente compresa tra cento milioni e un miliardo di chilometri all’ora.
Fonte: West Texas A&M University.
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