Das Licht geht sehr schnell an, wenn ich den Schalter umlege. Wie schnell fließt Strom in einem Draht?
November 2001
Um diese Frage zu beantworten, müssen wir die Materie selbst auf einer sehr grundlegenden Ebene betrachten. Materie besteht aus kleinen Einheiten, die man Atome nennt. Auf dieser atomaren Ebene besitzt die Materie zwei grundlegende Eigenschaften. Materie hat Masse und sie kann eine elektrische Ladung haben, entweder positiv, negativ oder sie kann neutral sein, ohne Ladung. Jedes Atom enthält drei Arten von Teilchen mit unterschiedlichen Eigenschaften; positive Protonen, neutrale Neutronen und negative Elektronen.
Elektrischer Strom (Elektrizität) ist ein Fluss oder eine Bewegung von elektrischer Ladung. Der Strom, der durch die Kupferdrähte in Ihrem Haus geleitet wird, besteht aus sich bewegenden Elektronen. Die Protonen und Neutronen der Kupferatome bewegen sich nicht. Das tatsächliche Fortschreiten der einzelnen Elektronen in einer bestimmten Richtung durch den Draht ist recht langsam. Die Elektronen müssen sich ihren Weg durch die Milliarden von Atomen im Draht bahnen, und das dauert eine ganze Weile. Im Falle eines 12-Gauge-Kupferdrahtes, der 10 Ampere Strom führt (typisch für eine Hausverkabelung), bewegen sich die einzelnen Elektronen nur etwa 0,02 cm pro Sekunde oder 1,2 Zoll pro Minute (in der Wissenschaft nennt man dies die Driftgeschwindigkeit der Elektronen). Wenn dies die Situation in der Natur ist, warum geht dann das Licht so schnell an? Bei dieser Geschwindigkeit würden die Elektronen Stunden brauchen, um zu den Lichtern zu gelangen.
Atome sind sehr winzig, weniger als ein Milliardstel eines Meters im Durchmesser. Der Draht ist „voll“ mit Atomen und freien Elektronen und die Elektronen bewegen sich zwischen den Atomen. In einem typischen Kupferdraht würden jede Sekunde Billionen von Elektronen an einem beliebigen Punkt des Drahtes vorbeifließen, aber sie würden diesen Punkt sehr langsam passieren. Stellen Sie sich den Draht im Vergleich zu einem Rohr voller Murmeln vor. Wenn wir eine weitere Murmel in ein gefülltes Rohr schieben, dann müsste eine Murmel am anderen Ende wieder herauskommen. So ist es auch mit den Elektronen in einem Draht. Wenn sich eines bewegt, müssen sie sich alle bewegen. Wenn Sie also einen Schalter einschalten, entsteht durch eine elektrische Potentialdifferenz (erzeugt durch einen Generator) sofort eine Kraft, die versucht, die Elektronen zu bewegen. Wenn Sie ein Elektron bewegen, wenn Sie einen Schalter einschalten, bewegen sich die Elektronen im gesamten Draht, auch wenn der Draht kilometerlang ist. Daher, wenn Sie einen Schalter einschalten, beginnen die Elektronen im Licht „sofort“ zu bewegen, soweit wir betroffen sind, d.h. es beginnt etwas im gesamten elektrischen System zu passieren. Obwohl sich die Elektronen tatsächlich langsam durch den Draht bewegen, sagen wir, dass die Geschwindigkeit der Elektrizität nahe der Lichtgeschwindigkeit (extrem schnell) ist. Was wir wirklich meinen, ist, dass die Effekte der Elektrizität „sofort“ auftreten. Das Licht geht in dem Moment an, in dem Sie einen Schalter umlegen. Sie müssen nicht warten, bis die Elektronen vom Schalter zum Licht fließen.