علماء يكشفون حقيقة سرعة الكهرباء في الأسلاك المنزلية

يظن كثيرون أن الكهرباء تنتقل عبر الأسلاك بسرعة الضوء، لكن الحقيقة العلمية تكشف تعقيدًا أكبر، حيث ترتبط سرعة انتقال التيار بثلاث حركات مختلفة داخل الموصلات، لكل منها طبيعتها وسرعتها الخاصة.

الحركة العشوائية للإلكترونات

تتمثل الحركة الأولى في السرعة الفردية للإلكترونات التي تتحرك داخل التركيب الذري للسلك في مسارات عشوائية، وتصطدم باستمرار بالذرات وتغير اتجاهها. وقد تصل سرعة هذه الحركة العشوائية إلى ملايين الأميال في الساعة، لكنها لا تمثل تيارًا كهربائيًا منتظمًا لأن الإلكترونات لا تتحرك في اتجاه واحد، وتساهم تصادماتها في توليد الحرارة داخل السلك.

سرعة الانجراف البطيئة

عند تطبيق مجال كهربائي على الموصل، كما يحدث عند توصيل بطارية، تنشأ قوة تدفع الإلكترونات للتحرك في اتجاه محدد، لتظهر ما يُعرف بـ"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 فور تشغيلها؟

إذا كانت الإلكترونات تتحرك بهذا البطء، فلماذا يضيء المصباح فور الضغط على المفتاح؟ تكمن الإجابة في أن انتقال الطاقة لا يعتمد على انتقال إلكترون واحد من المصدر 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 بعضًا على امتداد الخرطوم.

الإشارة الكهرومغناطيسية تقترب من سرعة الضوء

الحركة الثالثة والأكثر ارتباطًا بسرعة تشغيل الأجهزة هي 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. وتشير التقديرات إلى أن سرعة انتشار الإشارة الكهربائية قد تتجاوز 600 مليون ميل في الساعة، مع بقائها أقل من سرعة الضوء في الفراغ.

التمييز بين سرعة الإشارة وسرعة الإنترنت

يمتد 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 أيضًا على كفاءة الأجهزة الإلكترونية وأجهزة التوجيه وقدرتها على معالجة حزم البيانات وإرسالها.