Rychlost světla vs rychlost elektřiny

Rychlost elektřiny je koncepčně rychlost elektromagnetické signál v drátu, který je poněkud podobný konceptu rychlosti světla v průhledném médiu. Normálně je tedy nižší, ale ne o moc nižší než rychlost světla ve vakuu. Rychlost závisí také na konstrukci kabelu. Geometrie kabelu a izolace snižují rychlost. Dobré kabely dosahují 80% rychlosti světla; vynikající kabely dosahují 90%. Rychlost přímo nezávisí na napětí nebo odporu. Různé frekvence však mají jiný útlum. Ve vašem příkladu samotný okamžik zapnutí představuje vysokofrekvenční frontu, která bude zeslabena. Zatímco na vstupu se napětí zvyšuje velmi rychle, na výstupu se zvyšuje postupně, jako by se zpožděním. Ve skutečnosti to není zpoždění samo o sobě, protože počáteční signál nízké úrovně by se tam dostal téměř rychlostí světla, ale jeho amplituda by se jen postupně zvyšovala a dosáhla plného napětí se značným zpožděním, které by záviselo na impedanci kabelu a obvodu (většinou na indukčnost kabelu). Pokud místo kabelu použijete vysokorychlostní koaxiální kabel (například kabel satelitní televize 3GHz), zpoždění by bylo mnohem kratší (80–90% rychlosti světla na plné napětí). Doufám, že to pomůže.

Komentáře

• Světlo ve skleněném vlákně je také pomalejší než rychlost vakua světla.
• I ‚ jsem zvědavý na “ vynikající koaxi “ takže jsem ‚ zeptal jsem se Existují typy standardních koaxiálních kabelů s rychlostí šíření 0,9c? Jaká by to byla aplikace? .
• @uhoh: Tento dokument zobrazuje standardní rychlosti až 91% cdn.shopify.com/s/ files / 1/0986/4308 / files / Cable-Delay-FAQ.pdf – Existují také způsoby, jak je dále zvýšit, protože jsem ‚ úspěšně testován (můžete změnit dielektrický efekt použitím předpětí vysokého napětí). Potřeba vysokých rychlostí není vysoká pro hodnotu rychlosti sama o sobě, ale proto, že kabely s vyššími rychlostmi mají také vyšší šířku pásma a nižší jitter, což je kritické v telekomunikačních a digitálních zvukových aplikacích.
• It ‚ sa kompromis mezi cenou, praktičností a výkonem. Pokud chcete koaxiální kabel s rychlostí šíření blízkou c, pak dielektrikum bude muset být většinou vzduch. Vzduch však nedrží středový vodič ve středu, což je u koaxiálních kabelů velmi důležité.Jsou tedy zapotřebí určité dielektrické podpěry. Dielektrikum může být mimo jiné například pěna z PTFE.
• Téměř nikoho však nezajímá nejrychlejší možná rychlost šíření v koaxiálním kabelu. Důvodem, proč se používají “ většinou-vzduch “ dielektrika, je to, že mají velmi nízké ztráty, což je důležité, pokud je přenášený výkon obrovské (takže ztráty by roztavily dielektrikum) nebo je vzdálenost velmi dlouhá …

Závisí rychlost elektřiny také na použitém napětí nebo odporu vodiče?

Nejen odpor vodičů, ale indukčnost. A také kapacita vůči zemi a / nebo druhému vodiči.

Nezapomeňte, že elektrický obvod vyžaduje na rozdíl od laseru úplnou smyčku. Elektroinstalace pro vedení elektřiny obvykle zahrnuje 2 vodiče (a někdy i třetí zemnící vodič). To je případ elektroinstalace v domácnosti.

A přenosové vedení lze modelovat jako “ žebřík “ odporových a indukčních prvků s kondenzátory na druhý vodič. (Obrázek z propojeného článku na wikipedii). Toto je jeden “ blok “ přenosového vedení. Skutečné přenosové vedení lze modelovat opakováním tohoto postupu a omezením, protože počet jde do nekonečna, zatímco odpor / indukčnost / kapacita jde na nulu. (Gdx, odpor izolátoru oddělujícího vodiče, můžete obvykle ignorovat.)

Tento model přenosového vedení se nazývá telegrafické rovnice . Předpokládá, že přenosové vedení je jednotné přes jeho délku. Různé frekvence ve stejném vodiči “ viz “ různé $ R $ a $ L $ hodnoty, hlavně kvůli vzhledu ( vyšší odpor při vyšší frekvenci) a efekt blízkosti . To je pro nás nešťastné, protože impuls od přepnutí spínače je ve skutečnosti čtvercová vlna, která má teoreticky komponenty na nekonečně vysokých frekvencích.

Článek Wikipedie o přenosovém vedení odvozuje tuto rovnici pro fázový posun AC signálu v přenosovém vedení o délce $ x $ . (Poukazují na to, že postup ve fázi o $ – \ omega \ delta $ je ekvivalentem časového zpoždění o $ \ delta $ .)

$ V_out (x, t) \ přibližně V_in (t – \ sqrt {LC} x) e ^ {- 1 / 2 \ sqrt {LC} (R / L + G / C) x} $

Konečným výsledkem toho všeho je, že elektrické signály se šíří určitou částí rychlosti světla . To dává smysl, protože elektromagnetická síla je přenášena (virtuálními) fotony ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Další čtení:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ ukazuje praktické vs. ideální ( bez ztráty) a ukazuje $ t_ {PD} = \ sqrt {L_0 \ cdot C_0} $ vzorec zpoždění šíření a $ \ displaystyle Z_ {0} = {\ sqrt {\ frac {L_0} {C_0}}} $ charakteristická impedance a něco o geometrii stop na desce s plošnými spoji.

Neměl jsem štěstí najít čísla charakteristik přenosového vedení pro domácí vedení. „Nejsou vhodné pro odesílání vysokofrekvenčních signálů, takže se s nimi většina lidí neobtěžuje měřit.

Ethernetové vedení (jako Cat5e) kroutí vodiče dohromady a má přísná omezení uniformity zákrutů na metr (a další charakteristiky). To je důležité pro přenos vysokofrekvenčních signálů, protože změny v zapojení mění charakteristickou impedanci (pro střídavé signály) a způsobují odrazy signálu. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). Napájecí kabely střídavého proudu obvykle vodiče vůbec nezkroutí, takže vysokofrekvenční signály ztratí energii pro emise RF.

Přestože je vypínač napájení pouze v jednom vodiči, přepnutí přepínače aplikuje rozdíl napětí na jednom konci přenosového vedení. Chceme vědět, kdy (a v jakém tvaru) se tento pulz objeví na druhém konec.

Napájení domácnosti je 50 nebo 60 Hz střídavé napětí, takže pokud náhodou přepnete spínač, zatímco rozdíl napětí je (téměř) nulový, váš měřič vyhrál “ • Změřte cokoli pro zpoždění přenosu + zlomek sekundy pro změnu fáze za prah citlivosti měřiče. Je to jednodušší, pokud předpokládáte, že se tak nestane, a modelujte jej pouze jako špičku stejnosměrného proudu (protože fáze napájení se mění mnohem pomaleji než zpoždění přenosového vedení na 10 m drátu.)

Charakteristiky přenosového vedení drátu tedy určují časovou prodlevu od přepnutí vypínače do polohy „, která se objeví “ na vzdáleném konci drátu.

Pokud někdo chce polemizovat o relativitě / simultánnosti, proveďte experiment se zrcadlem a přenosovým vedením, které fyzicky umístí detektor vedle vypínač, ale stále elektricky oddělen 10 metry vedení.

Komentáře

• Přechod z elektroniky stackexchange: Hlasuji proti, protože ‚ je jediný, kdo zmiňuje přenosové linky, které jsou skutečnou odpovědí na otázku … takže zde ‚ je vysoká pětka.

C analogicky, voda v potrubí, s ventilem na jednom konci.

Pokud je potrubí prázdné, po otevření ventilu musí molekuly vody projít celou délku potrubí, než uvidíte, že na druhém konci vytéká voda. Udělený čas představuje rychlost vody v potrubí.

Na druhou stranu, pokud je potrubí již naplněno vodou, jakmile otevřete ventil, voda začne vytékat ze vzdáleného konec. Toto mnohem kratší časové období představuje rychlost, kterou informace (otevření ventilu) putovala potrubím – v podstatě rychlost zvuku ve vodě.

Srovnání analogie mezi vodou a elektřinou:

První případ odpovídá rychlosti samotných elektronů (nebo elektronového driftu); druhý případ odpovídá šíření elektromagnetických vln.

V případě elektrického obvodu by správná analogie vody byla trubka již naplněná vodou. Elektrony nesoucí energii podél drátu jsou vždy přítomny; přepínač jednoduše použije nebo odstraní potenciál je tlačit. Měření „rychlosti“ elektřiny v době, po kterou má sepnutí spínače účinek někde podél vodiče, je měření rychlosti elektromagnetických vln v médiu (elektrický vodič), které je srovnatelné s (téměř) rychlostí světla ve vakuu.

Závislo by to vše na okolnostech média, kterým světlo prochází, a na typu prochází drátová elektřina. Pokud je však možné oba zanedbávat, rychlost světla bude rychlejší. Důvodem je to, že světlo je elektromagnetická vlna, což znamená, že nemá žádnou hmotnost, protože fotony nemají hmotnost. Na druhou stranu, elektřina je tok elektronů, které mají hmotnost, ai když málo, ovlivní to celková rychlost. Avšak když v tomto případě mluvíme o rychlosti elektronů. Pokud mluvíme o rychlosti proudící energie se bude vždy rovnat rychlosti světla bez ohledu na to, co . Obvykle se však rychlost počítá z energie procházející vodič, který je pak pomalejší než vodič světla. Zde je uvedeno jasnější vysvětlení:

https://www.quora.com/Does-electricity-travel-at-the-speed-of-light

Doufáme, že to pomůže!

Komentáře

• We ‚ nemluvíme o rychlosti elektronů, ale o rychlosti signálu. Samotné elektrony jsou velmi pomalé. Viz en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity a en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity
• Rychlost signál bude pomalejší než rychlost světla, ale rychlost energie bude stejná.

V užším slova smyslu neexistuje $ „$ rychlost elektřiny $“ $. Musí se rozlišovat mezi nábojem a EM polem. Rychlost elektřiny může být buď rychlost driftu elektronů (dosahující několika mm / s), nebo rychlost EM pole obklopujícího kabel, blízká c. Elektrická energie je přenášena výhradně EM polem, jak je naznačeno Poyntingovým vektorem $ S = E \ krát H $. (E a S jsou v dokonalém vodiči nulové). U stejnosměrného proudu platí toto pravidlo: a) Uvnitř vodiče probíhá přenos náboje (proud), ale žádný přenos síly. b) V izolátoru je přenos energie, ale žádný přenos náboje.