Geschwindigkeit von Elektronen

Strom bewegt sich augenscheinlich mit Lichtgeschwindigkeit – kaum drückt man auf den Schalter wird es auch schon hell und übertragen wir Audiosignale mit analogen Kupferleitungen ist keinerlei Verzögerung hörbar.

Genau genommen sind Elektronen jedoch äußerst gemütliche Gesellen, die sich bei haushaltstypischen Kabeln mit grob 0.00036 km/h oder 0.1 mm/s durch ihren Kupferleiter bewegen (Driftgeschwindigkeit). Schnell sind sie lediglich in der Weitergabe von Bewegungsimpulsen.

Wie dies funktioniert, können wir uns am besten an einem Wasserschlauch vorstellen. Wird das Ventil aufgedreht schießt das Wasser durch den entstehenden Druck nahezu sofort aus der Düse und das, obwohl die einzelnen Wassermolekühle tatsächlich nur mit wenigen Metern pro Sekunde durch den Schlauch fließen.

Formel

Für die Driftgeschwindigkeit der Elektronen gilt:

v = \frac{I}{e\cdot n\cdot A}

Dabei ist:

  • v = mittlere Geschwindigkeit von Elektronen in Millimeter pro Sekunde (mm/s)
  • I = Elektrischer Strom in Ampere (A)
  • e = Elementarladung (Naturkonstante) e = 1,602⋅10−19 Coulomb (A·s)
  • n = Zahl der freien Elektronen pro Kubikmillimeter im Leiter (1/mm³)
  • A = Leiterquerschnitt in Quadratmillimeter

Beispiel NYM 1.5 mm2

Das standard NYM Stromkabel besitzt einen Leiterquerschnitt von A = 1.5 mm2 und ist aus Kupfer. Dieses Metall enthält n = 8,43·1019 freie Elektronen pro mm3, so dass mit der Elementarladunge e= 1,602⋅10−19 multipliziert 13,51 Coulomb bereit gestellt werden. Verbraucht das angeschlossene Gerät I = 2 Ampere, ergib sich nach obiger Formel knapp 0,1 Millimeter pro Sekunde für unsere mittlere Driftgschwindigkeit.

0,098\; \frac{mm}{s} = \frac{2A}{1,602\cdot 10^{-19}As\cdot{8,43\cdot 10^{19}}\cdot 1,5 mm}

 

  • http://elektroniktutor.de/elektrophysik/strom.html
  • http://www.elektrotechnik-fachbuch.de/e_grundlagen_kap_04_2v5.html
  • http://elektroniktutor.de/elektrophysik/strom.html