energieksnelheden

Energieksnelheden is een begrip uit de natuurkunde dat de snelheid beschrijft waarmee energie zich verplaatst door een systeem. Het gaat daarbij om de voortplanting van energie, niet noodzakelijk om de beweging van de materie die de energie draagt. Het concept komt voor in elektromagnetisme, warmteoverdracht en golvende of kristalstructuren, en in de studie van kwantumsystemen.

In elektromagnetisme wordt de energieoverdracht beschreven door de Poynting-vector S = E × H. De snelheid waarmee energie zich verplaatst, de energieverplaatsingssnelheid, is gekoppeld aan de groepsnelheid van het elektromagnetische signaal. In vacuüm is deze snelheid gelijk aan de lichtsnelheid c; in materialen hangt hij af van de brekingsindex en van dispersie. Bij niet-dispersieve media zijn groepssnelheid en fasesnelheid gelijk, maar in media met dispersie kunnen ze verschillen en kan informatie niet sneller dan c reizen.

Wat warmte betreft: energieverplaatsing vindt meestal plaats via warmteflux. In het klassieke Fourier-model reageert temperatuur onmiddellijk, wat fysisch onjuist is. Realistische modellen zoals de Cattaneo-Vernotte-vergelijking geven een eindige voortplantingssnelheid aan warmte, waardoor warmtefronten zich met een eindige snelheid voortbewegen door materiaal.

In mechanische golven dragen trillingen energie over, en in kristallen en andere materialen dragen ook quasipartikels zoals phononen energie over. De energiedoorvoer wordt bepaald door de groepssnelheid of de voortplantingssnelheid van deze excitations, en kan sterk variëren met type medium en temperatuur.

Energieksnelheden zijn relevant bij het ontwerp van communicatienetwerken, warmtebeheer en materiaalkunde, omdat ze de snelheid begrenzen waarmee signalen en energietransport reageren op prikkels.