21 век по праву считается информационным. Информация занимает первое место в нашей жизни. И далеко не самым последним является передача этой информации.

Обычные металлические провода все еще остаются довольно популярным способом передачи данных. Сегодня существует масса стандартов, которые используются в различных сферах деятельности человека. Это может быть всем знакомая витая пара, LVDS ( low-voltage differential signaling ) и так далее. Но мало кто представляет себе как происходит передача данных по этим проводам. 

Сигнал передается в виде битовой последовательности, иначе говоря используется цифровой сигнал. Многие полагают, что по линиям связи передается ток: "Когда ток течет, тогда 1, когда не течет, тогда 0". Но это не совсем так. Если бы принцип передачи заключался именно в передаче электронного потока, то скорость передачи данных была бы крайне низкой. Так что же мы передаем по проводам? 

Когда электрон на одном конце провода начинает свое движение, он порождает переменное магнитное поле, которое, как мы знаем, является источником переменного электрического. Таким образом по проводам мы передаем электромагнитную волну. Именно по этому вы практически не чувствуете задержки при общении с человеком. Но провода не являются идеальными из за своих конструктивных особенностей: у них имеется емкость, индуктивность, сопротивление. Поэтому скорость распространения несколько снижается. В данном случае, мы рассматриваем эту систему, как полубесконечную длинную линию. Длинная линия - это понятие из радиотехники, в этой статье я не стану углубляться в теоретические подноготные этого предмета, ведь не это сейчас главное. 

Второе заблуждение касается того, что скорость передачи данных определяется тем, с какой скоростью информационный бит может "добежать" от передатчика до приемка.

Итак, как мы выяснили - передаем мы вовсе не электроны, а электромагнитные волны. Но чем определяется скорость передачи данных? В первую очередь это зависит от передающего и принимающего устройств. Сейчас мы будем считать, что они идеальны. Под скоростью передачи данных понимается то количество бит, которое мы можем передать к другому устройству за единицу времени. И это в первую очередь зависит от того, с какой максимальной частотой мы можем менять уровни напряжения в линии. Из-за все тех же конструктивных особенностей проводов они обладают реактивностью. То есть передающее устройство обладает ограничениями по скорости изменения уровня сигнала, так как входные емкость и индуктивность передающих проводов не нулевые. 

Так всё растущие потребности человечества вынудили инженеров придумать новый способ передачи данных. И он был найден в оптоволоконных кабелях. 

С какой скоростью электроны "бегают" по проводам?

Думаю ни для никого не секрет, что носителями заряда в металле являются свободные электроны, которых там очень много. Если человек задастся сегодняшним вопросом, то может ответить, что скорость электронов в проводнике очень большая, сравнимая со скоростью света. Ведь как только мы переключаем выключатель, чтобы включить свет в комнате, тот в свою очередь появляется мгновенно. Можно простить обывателя за такой вывод, ведь мало кто изучал физику на серьезном уровне. 

Сейчас мы с вами разберемся, где зарыта правда. Делать выводы мы будем исходя из классической теории металлов, не учитывая квантовых аспектов. В чем же суть классической теории металлов?

Классическую теорию металлов разработал Пауль Друде. Он предположил, что электроны проводимости в металле ведут себя словно молекулы идеального газа и в промежутках между соударениями движутся свободно. Но в отличие от молекул газа, пробег которых определяется соударениями друг с другом, электроны сталкиваются преимущественно с ионами, образующими кристаллическую решетку металла. Эти столкновения приводят к установлению теплового равновесия между электронами и кристаллической решеткой. 

Полагая, что на электронный газ могут быть распространены результаты кинетической теории газов, можно оценить их среднюю скорость теплового движения. Вычисляется она по следующей формуле: 

k- постоянная Больцмана T- температура в Кельвинах m- масса электрона

Подставим все величины, температуру примем за комнатную (27 градусов Цельсия или 300 Кельвин) 

И мы получаем величину хоть как-то сравнимую со скоростью света (скорость света равняется 3*10^8 м/сек). Но мы посчитали скорость их хаотического, то есть беспорядочного движения. А насколько мы знаем, электрический ток - это упорядоченное движение частиц. Поэтому я предлагаю рассчитать максимально возможную скорость упорядоченного движения электронов. 

Чтобы мы могли говорить боле общо, речь вести будем не о токе, а о плотности тока. Это величина равная силе тока, которая проходит через какое-либо поперечное сечение проводника (обозначается она буквой j). Например: пусть по проводу с площадью поперечного сечения 2 мм^2 течет ток силой 1 Ампер. Тогда плотность тока в данном случае будет составлять j= 1/2 = 0,5 А/мм^2. Плотность тока вычисляется по следующей формуле: 

n - концентрация электронов в единице объема e - заряд электрона u - средняя скорость упорядоченного движения. 

Пример

Максимально возможная конструктивная плотность тока составляет около 10 А/мм^2, если ток выше этого значения, то медные провода просто начнут плавиться. Ну и среднее значение концентрации электронов в металле составляет около 10^23 в каждом кубическом сантиметре. Выразив все в одной системе единиц и подставив в это уравнение, найдем максимальное значение скорости упорядоченного движения: 

И как вы видите она составляет всего 1 мм в секунду! Явно не по этой причине лампочка загорается так быстро. Но мы так и не ответили на вопрос: почему так происходит?

На самом деле ответ на данный вопрос, в отличие от предыдущего, довольно прост. Представьте себе огромную очередь битком набитую людьми. И пусть с конца очереди кто-то большой и массивный начал сильно толкать всех вперед. В этом случае начало очереди довольно быстро придет в движение, хоть и хулиган, который толкал всех сзади, двигался очень медленно. 

Тоже самое происходит в проводах: когда электроны от источника начали свое движение, их импульс быстро, практически со скоростью света, передался электронам у приемника. Только в очереди людей вы передаете взаимодействие путем толчков, а электроны взаимодействуют при помощи электромагнитных сил.