خدعة السرعة الكهربائية.. الإلكترونات تتحرك كالمشي وسرعة الضوء هي من تضيء بيتك

مدار الساعة -يعتقد كثيرون أن الكهرباء تنتقل عبر الأسلاك بسرعة الضوء، لكن الحقيقة العلمية أكثر تعقيدا من ذلك، فسرعة انتقال الكهرباء ليست واحدة، بل ترتبط بثلاث حركات مختلفة داخل الموصلات الكهربائية، لكل منها طبيعتها وسرعتها الخاصة.

وفهم كيفية انتقال التيار الكهربائي يتطلب التمييز بين الحركة العشوائية للإلكترونات، وسرعة انجرافها في اتجاه معين، وسرعة انتشار الإشارة الكهرومغناطيسية التي تنقل الطاقة والمعلومات عبر الدائرة الكهربائية.

الإلكترونات تتحرك بسرعة هائلة.. ولكن عشوائيا

تتمثل الحركة الأولى في السرعة الفردية للإلكترونات، التي تتحرك داخل التركيب الذري للسلك في مسارات عشوائية، وتصطدم باستمرار بالذرات، ثم تغير اتجاهها.

وقد تصل سرعة هذه الحركة العشوائية إلى ملايين الأميال في الساعة، لكنها لا تمثل تيارا كهربائيا منتظما، لأن الإلكترونات لا تتحرك في اتجاه واحد، وإنما تتنقل بصورة غير منظمة، وتساهم تصادماتها في توليد الحرارة داخل السلك.

وعندما يُطبَّق مجال كهربائي على الموصل، كما يحدث عند توصيل بطارية، تنشأ قوة تدفع الإلكترونات إلى التحرك في اتجاه محدد، لتظهر ما يُعرف باسم "سرعة الانجراف"، وهي السرعة الصافية لحركة الإلكترونات تحت تأثير المجال الكهربائي.

والمثير للدهشة أن هذه السرعة تكون بطيئة للغاية، وقد لا تتجاوز بضعة أقدام في الساعة، بحسب الظروف الفيزيائية للموصل وشدة التيار.

لماذا تعمل الأجهزة الكهربائية فور تشغيلها؟

إذا كانت الإلكترونات تتحرك بهذه البطء، فلماذا يضيء المصباح فور الضغط على المفتاح؟ ولماذا يبدأ الهاتف في الشحن بمجرد توصيله بالكهرباء؟

تكمن الإجابة في أن انتقال الطاقة لا يعتمد على انتقال إلكترون واحد من مصدر الكهرباء إلى الجهاز، وإنما على انتشار المجال الكهرومغناطيسي داخل الدائرة.

ويمكن تشبيه الأمر بخرطوم ماء ممتلئ بالفعل، فعند فتح الصنبور، يندفع الماء من الطرف الآخر بسرعة، لأن جزيئات الماء تدفع بعضها بعضا على امتداد الخرطوم، وليس لأن جزيء الماء الذي دخل من البداية قطع المسافة كاملة في لحظة واحدة.

وبطريقة مشابهة، تؤثر الإلكترونات في بعضها بعضا داخل الموصل بفعل التفاعلات الكهرومغناطيسية، ما يسمح بانتقال التأثير الكهربائي والطاقة دون الحاجة إلى انتقال الإلكترونات نفسها من المصدر إلى الجهاز بالسرعة ذاتها.

الإشارة الكهربائية تقترب من سرعة الضوء

أما الحركة الثالثة، والأكثر ارتباطا بسرعة تشغيل الأجهزة، فهي سرعة انتشار الإشارة الكهرومغناطيسية.

فعند إغلاق الدائرة الكهربائية، ينتشر المجال الكهرومغناطيسي على طول الموصل بسرعة كبيرة تقترب من سرعة الضوء، فيؤثر في الإلكترونات الموجودة على امتداد الدائرة، فتبدأ حركتها المنظمة بصورة شبه متزامنة، قبل أن يتمكن أي إلكترون منفرد من إكمال دورة كاملة.

ويوضح التقرير ذلك بتشبيه انتشار الإشارة بموجة المحيط، إذ تنتقل طاقة الموجة نحو الشاطئ بسرعة، بينما لا تتحرك جزيئات الماء نفسها إلا مسافات محدودة نسبيا.

وبالمثل، تنتقل الإشارة الكهرومغناطيسية بسرعة كبيرة عبر الدائرة، في حين تتحرك الإلكترونات داخل الموصل ببطء أكبر.

وتشير التقديرات الواردة في التقرير إلى أن سرعة انتشار الإشارة الكهربائية قد تتجاوز 600 مليون ميل في الساعة، مع بقائها أقل من سرعة الضوء في الفراغ، إذ تتأثر سرعتها بالوسط الذي تنتقل خلاله وخصائص الموصل والمواد المحيطة به.

سرعة الإشارة ليست هي سرعة الإنترنت

ويمتد هذا التمييز إلى عالم الاتصالات والشبكات الرقمية، إذ لا تعني السرعة العالية لانتقال الإشارات الكهرومغناطيسية أن البيانات الرقمية تنتقل بالمعدل نفسه في جميع الظروف.

فمعدل نقل البيانات يعتمد أيضا على كفاءة الأجهزة الإلكترونية وأجهزة التوجيه (Routers) وقدرتها على معالجة حزم البيانات وإرسالها.

كما أن فهم تفاعلات الإلكترونات يساعد العلماء والمهندسين على دراسة عدد من الظواهر المرتبطة بتخزين الطاقة وأداء البطاريات وعمرها الافتراضي.

الكهرباء لا تعني أن الإلكترونات تنطلق عبر الأسلاك بسرعة الضوء، فالإلكترونات تتحرك عشوائيا بسرعات كبيرة، بينما يكون انجرافها الصافي بطيئا للغاية، في حين تنتشر الإشارة الكهرومغناطيسية بسرعة هائلة تقترب من سرعة الضوء، وهذا التمييز هو المفتاح لفهم السر وراء استجابة الأجهزة الكهربائية السريعة بمجرد تشغيلها.