Elektriğin hızı gerçekten “elektrik” kelimesiyle ne demek istediğinize bağlıdır. Bu kelime çok geneldir ve temelde “elektrik yükü ile ilgili her şey” anlamına gelir. Bir lambanın güç kablosu gibi metal bir telden geçen bir elektrik yükü akımından bahsettiğimizi varsayacağım. Metal tellerden geçen elektrik akımları durumunda, hepsi fiziksel olarak anlamlı olan üç farklı hız vardır:
1. Bireysel elektron hızı
2. Elektron sürüklenme hızı
3. Sinyal hızı
Elektriğin Hızı Nasıl Hesaplanır?
Bu hızların her birini ve neden farklı olduklarını ve fiziksel olarak anlamlı olduklarını anlamak için elektrik akımlarının temellerini anlamamız gerekir. Metal tellerdeki elektrik akımları, hareket eden serbest elektronlardan oluşur. Metal tellerdeki tipik elektrik akımları bağlamında, serbest elektronlar, metal teli oluşturan sabit, ağır atomların ızgarasında sıçrayan küçük toplar olarak düşünülebilir. Elektronlar gerçekten kuantum varlıklardır, ancak bu açıklamada daha doğru kuantum resmi gerekli değildir. (Kuantum etkilerini eklediğinizde, bireysel elektron hızı “Fermi hızı” olur.) Serbest olmayan elektronlar veya değerlik elektronları, elektrik akımına katkıda bulunamayacak kadar atomlara çok sıkı bağlanır ve bu nedenle bu resimde göz ardı edilebilir. Metal teldeki her serbest elektron kendi momentumu altında sürekli düz bir çizgide uçar, bir atomla çarpışır, çarpışma nedeniyle yön değiştirir ve bir sonraki çarpışmaya kadar tekrar düz bir çizgide devam eder. Bir metal tel kendi haline bırakılırsa, içindeki serbest elektronlar sürekli uçuşur ve rastgele bir şekilde atomlara çarparlar. Makroskopik olarak, küçük parçacıkların rastgele hareketine “ısı” diyoruz. Tek bir elektronun gerçek hızı, çarpışmalar arasında düz bir çizgide giderken bir elektronun saniyede hareket ettiği nanometre miktarıdır. Kendi başına bırakılan bir tel hiçbir elektrik sinyali taşımaz, bu nedenle rastgele hareket eden elektronların bireysel elektron hızı, elektrik akımı değil, sadece teldeki ısının bir tanımıdır.
Elektronun Sürüklenme Hızı Nedir?
Şimdi, kabloyu bir aküye bağlarsanız, tele harici bir elektrik alanı uygulamış olursunuz. Elektrik alanı, telin uzunluğu boyunca bir yönü gösterir. Teldeki serbest elektronlar bu elektrik alanından bir kuvvet hissederler ve alan yönünde hızlanırlar (aslında ters yönde çünkü elektronlar negatif yüklüdür). Elektronlar atomlarla çarpışmaya devam eder ve bu da onların farklı yönlerde sıçramalarına neden olur. Ancak bu rastgele termal hareketin üzerine, şimdi elektrik alanının tersi yönde net düzenli bir harekete sahipler. Teldeki elektrik akımı, elektronların hareketinin düzenli kısmından oluşurken, hareketin rastgele kısmı hala teldeki ısıyı oluşturur. Uygulanan bir elektrik alanı (bir pilin bağlanması gibi) bu nedenle bir elektrik akımının telden aşağı akmasına neden olur. Elektronların bir telden aşağı doğru hareket ettiği ortalama hız, “sürüklenme hızı” olarak adlandırdığımız şeydir.
Elektronlar, ortalama olarak, sürüklenme hızında telden aşağı doğru sürükleniyor olsa da, bu, elektronların hareketinin etkilerinin bu hızda hareket ettiği anlamına gelmez. Elektronlar gerçekten katı toplar değildir. Kelimenin tam anlamıyla birbirlerinin yüzeylerine çarparak birbirleriyle etkileşime girmezler. Aksine, elektronlar elektromanyetik alan aracılığıyla etkileşir. İki elektron birbirine ne kadar yakın olursa, elektromanyetik alanları aracılığıyla birbirlerini o kadar güçlü iterler. İlginç olan şu ki, bir elektron hareket ettiğinde, alanı da onunla birlikte hareket eder, böylece elektron, fiziksel olarak uzayda bu elektronla aynı konuma ulaşmadan çok önce, başka bir elektronu kendi alanı boyunca telin daha aşağısına itebilir. Sonuç olarak, elektromanyetik etkiler bir metal telden aşağı doğru herhangi bir elektronun yapabileceğinden çok daha hızlı hareket edebilir. Bu “etkiler”, elektronlarla birleştiği ve kablo boyunca ilerlediği için elektromanyetik alandaki dalgalanmalardır. Enerji ve bilgi elektromanyetik alandaki dalgalanmalarla taşındığından, enerji ve bilgi de bir elektrik telinden aşağı doğru herhangi bir elektrondan çok daha hızlı hareket eder.
Kaynak: https://www.wtamu.edu/~cbaird/sq/2014/02/19/what-is-the-speed-of-electricity/