Lysets hastighed versus hastigheden af elektricitet

Elektricitetshastigheden er konceptuelt hastigheden for det elektromagnetiske signal i ledningen, hvilket svarer til begrebet lysets hastighed i et gennemsigtigt medium. Så det er normalt lavere, men ikke for meget lavere end lysets hastighed i vakuumet. Hastigheden afhænger også af kabelkonstruktionen. Kabelgeometrien og isoleringen reducerer begge hastigheden. Gode kabler opnår 80% af lysets hastighed; fremragende kabler opnår 90%. Hastigheden afhænger ikke direkte af spænding eller modstand. Imidlertid har forskellige frekvenser forskellige dæmpninger. I dit eksempel repræsenterer selve tændingsmomentet en højfrekvent front, der dæmpes. Mens spændingen stiger meget hurtigt ved indgangen, vil den ved udgangen stige gradvist som med en forsinkelse. Det er egentlig ikke en forsinkelse i sig selv, fordi det indledende lave niveau signal ville komme der næsten med lysets hastighed, men dets amplitude ville kun gradvist øges og nå den fulde spænding med en betydelig forsinkelse, der ville afhænge af kabel- og kredsløbsimpedansen (hovedsagelig på kabelinduktansen). Hvis du bruger et højhastigheds koaksialkabel (som et 3GHz satellit-tv-kabel) i stedet for en ledning, ville forsinkelsen være meget kortere (80-90% af lysets hastighed til den fulde spænding). Håber dette hjælper.

Kommentarer

• Lys i en glasfiber er også langsommere end lysets vakuumhastighed.
• I ‘ er nysgerrig efter ” fremragende coax ” så jeg ‘ har spurgt Er der typer af standard koaksialkabel med en udbredelseshastighed på 0,9c? Hvad ville applikationen være? .
• @uhoh: Dette dokument viser standardhastigheder op til 91% cdn.shopify.com/s/ files / 1/0986/4308 / files / Cable-Delay-FAQ.pdf – Der er også metoder til at øge dem yderligere, da jeg ‘ er testet med succes (du kan ændre den dielektriske effekt ved at anvende en højspændingsforspænding). Behovet for høje hastigheder er højt ikke for hastighedsværdien i sig selv, men fordi kabler med højere hastigheder også har en højere båndbredde og lavere jitter, der er kritisk i telekom- og digitale lydapplikationer.
• Det ‘ en kompromis mellem pris, praktisk og ydeevne. Hvis du vil have en koaks med udbredelseshastighed tæt på c, skal dielektrikumet for det meste være luft. Luft holder dog ikke midterlederen i midten, hvilket er meget vigtigt i en koaks.Så der kræves nogle dielektriske understøtninger. Dielektrikumet kan f.eks. Være PTFE-skum.
• Imidlertid er næsten ingen interesseret i den hurtigst mulige formeringshastighed i en koaks. Årsagen til ” for det meste luft ” dielektrikum er, at de har meget lave tab, og dette er vigtigt, hvis den transmitterede effekt er enormt (så tabene smelter dielektrikummet) eller afstanden er meget lang …

Er elektricitetshastigheden også afhængig af den anvendte spænding eller lederens modstand?

Ikke kun ledernes modstand men induktansen. Og også kapaciteten til jord og / eller til den anden leder.

Husk, at et elektrisk kredsløb kræver en komplet sløjfe, i modsætning til en laser. Ledninger til at bære elektricitet inkluderer normalt 2 ledere (og nogle gange en 3. jordleder). Dette er tilfældet for husholdningsledninger.

A transmissionslinje kan modelleres som en ” stige ” af resistive og induktive elementer med kondensatorer til den anden leder. (Billede fra den linkede wikipedia-artikel). Dette er en ” blok ” af en transmissionslinje. En reel transmissionslinie kan modelleres ved at gentage dette og tage grænsen, når antallet går til uendelig, mens modstanden / induktansen / kapacitansen går til nul. (Du kan normalt ignorere Gdx, modstanden af isolatoren, der adskiller lederne.)

Denne transmissionslinjemodel kaldes telegrafens ligninger . Det antages, at transmissionslinjen er ensartet over dens længde. Forskellige frekvenser i samme ledning ” se ” forskellige $ R $ og $ L $ værdier, hovedsageligt på grund af hudeffekt ( højere modstand ved højere frekvens) og nærhedseffekt . Dette er uheldigt for os, fordi en impuls fra at vende en switch faktisk er en firkantbølge, som i teorien har komponenter ved uendeligt høje frekvenser.

Wikipedias transmissionslineartikel stammer denne ligning til faseskift for et AC-signal i en transmissionslinje med længde $ x $ . (De påpeger, at et fremskridt i fase med $ – \ omega \ delta $ svarer til en tidsforsinkelse med $ \ delta $ .)

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

Slutresultatet af alt dette er, at elektriske signaler spreder sig ved en del af lysets hastighed . Dette giver mening, fordi den elektromagnetiske kraft bæres af (virtuelle) fotoner ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Yderligere læsning:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ viser praktisk vs. ideel ( lossless) og viser $ t_ {PD} = \ sqrt {L_0 \ cdot C_0} $ formel for udbredelsesforsinkelse og $ \ displaystyle Z_ {0} = {\ sqrt {\ frac {L_0} {C_0}}} $ karakteristisk impedans og nogle ting om geometri af spor på et printkort.

Jeg har ikke haft meget held med at finde tal til transmissionslinjens karakteristika for husholdningsledninger. De er “uegnet til at sende højfrekvente signaler, så det er ikke noget, de fleste mennesker gider at måle.

Ethernet-ledninger (som Cat5e) vrider lederne sammen og har stramme begrænsninger for ensartethed af vendinger pr. meter (og andet egenskaber). Dette er vigtigt for transport af højfrekvente signaler, fordi variationer i ledningerne ændrer den karakteristiske impedans (for AC-signaler) og forårsager signalrefleksioner. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). Vekselstrømskabler drejer normalt ikke ledningerne overhovedet, så højfrekvente signaler mister energi til RF-emissioner.

Selvom afbryderen kun er i en leder, at vende omskifteren anvender en spændings forskel over den ene ende af transmissionslinjen. Det, vi ønsker at vide, er hvornår (og i hvilken form) denne puls vises i den anden ende.

Husholdningseffekt er 50 eller 60 Hz AC, så hvis du tilfældigvis kaster kontakten, mens spændingsforskellen er (næsten) nul, vandt din meter ” t måle noget for transmissionsforsinkelse + brøkdelen af et sekund for fasen at skifte forbi målerens følsomhedstærskel. Det er lettere, hvis du antager, at det ikke sker, og bare modeller det som en DC-spids (da strømfasen ændres meget langsommere end transmissionslinjeforsinkelsen over 10 m ledning.)

Således er ledningens transmissionslinjeegenskaber det, der bestemmer tidsforsinkelsen fra en afbryder, der vendes til strøm ” vises ” i den fjerne ende af en ledning.

Hvis nogen vil argumentere for relativitet / samtidighed, skal du gøre eksperimentet med et spejl og en transmissionslinie, der placerer detektoren fysisk ved siden af switch, men stadig elektrisk adskilt af 10 meter ledninger.

Kommentarer

• Chiming ind fra elektronik stackexchange: Jeg opstemmer dette, fordi du ‘ er den eneste, der nævner transmissionslinjer, som er det virkelige svar på spørgsmålet … så her ‘ er en high five.

C onsider analogt, vand i et rør med en ventil i den ene ende.

Hvis røret er tomt, når du åbner ventilen, skal vandmolekylerne bevæge sig hele rørets længde, før du ser noget vand komme op i den yderste ende. Den brugte tid repræsenterer hastigheden på vandet i røret.

På den anden side, hvis røret allerede er fyldt med vand, så snart du åbner ventilen, begynder vand at strømme ud af det fjerne ende. Denne meget kortere periode repræsenterer den hastighed, hvormed informationen (åbning af ventilen) bevægede sig ned ad røret – i det væsentlige lydens hastighed i vand.

Lining af analogien mellem vand og elektricitet:

Det første tilfælde svarer til selve elektronernes hastighed (eller elektrondrift); det andet tilfælde svarer til udbredelsen af elektromagnetiske bølger.

I tilfælde af et elektrisk kredsløb ville den korrekte vandanalogi være røret, der allerede var fyldt med vand. Elektronerne, der bærer energien langs ledningen, er altid til stede; kontakten anvender simpelthen eller fjerner muligheden for at skubbe dem sammen. Måling af “hastighed” af elektricitet med den tid, det tager at lukke en switch for at have en effekt et eller andet sted langs lederen, måler hastigheden af elektromagnetiske bølger i mediet (elektrisk leder), der kan sammenlignes med (næsten) lysets hastighed i et vakuum.

Det afhænger alt af omstændighederne i mediet, lyset bevæger sig igennem, og typen af ledningselektricitet passerer. Men hvis begge er i stand til at blive forsømt, vil lysets hastighed være hurtigere. Årsagen til dette er, at lys er en elektromagnetisk bølge, hvilket betyder, at det ikke har nogen masse, da fotoner ikke har masse. På den anden side er elektricitet en strøm af elektroner, som har en masse, og selvom den er lille, vil den påvirke den samlede hastighed. Dog når vi i dette tilfælde taler om elektronernes hastighed. Hvis vi taler om hastigheden på energistrømmen vil altid svare til lysets hastighed uanset hvad . Normalt beregnes hastigheden dog af den energi, der går igennem ledningen, som derefter er langsommere end lysets. En tydeligere forklaring vises her:

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

håber dette hjælper!

Kommentarer

• Vi ‘ taler ikke om elektronernes hastighed, men signalets hastighed. Selve elektronerne er meget langsomme. Se da.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity og da.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity
• Hastigheden på signalet vil være langsommere end lysets hastighed, men energihastigheden vil være den samme.

I streng forstand er der ingen $ “$ elhastighed $” $. Det skal skelnes mellem ladning og EM-felt. Elektricitetshastighed kan enten være drivhastigheden for elektroner (i størrelsesordenen et par mm / sek) eller hastigheden på EM-feltet, der omgiver kablet, tæt på c. Elektricitet transmitteres udelukkende af EM-feltet som angivet af Poynting-vektoren $ S = E \ gange H $. (E og S er nul inden for en perfekt leder). For DC er reglen simpelthen: a) Inden for en leder er der ladetransmission (strøm), men ingen kraftoverførsel. b) Inden for en isolator er der transmission, men ingen ladetransmission.