Lichtgeschwindigkeit gegen Elektrizitätsgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit der Elektrizität ist konzeptionell die Geschwindigkeit des Elektromagneten Signal im Draht, das dem Konzept der Lichtgeschwindigkeit in einem transparenten Medium etwas ähnlich ist. Es ist also normalerweise niedriger, aber nicht zu viel niedriger als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Geschwindigkeit hängt auch von der Kabelkonstruktion ab. Die Kabelgeometrie und die Isolierung reduzieren beide die Geschwindigkeit. Gute Kabel erreichen 80% der Lichtgeschwindigkeit; Hervorragende Kabel erreichen 90%. Die Geschwindigkeit hängt nicht direkt von der Spannung oder dem Widerstand ab. Unterschiedliche Frequenzen haben jedoch unterschiedliche Dämpfung. In Ihrem Beispiel stellt der Moment des Einschaltens eine Hochfrequenzfront dar, die gedämpft wird. Während am Eingang die Spannung sehr schnell ansteigen würde, würde sie am Ausgang allmählich ansteigen, wie mit einer Verzögerung. Es ist an sich keine wirkliche Verzögerung, da das anfängliche Signal mit niedrigem Pegel fast mit Lichtgeschwindigkeit dort ankommen würde, aber seine Amplitude würde nur allmählich ansteigen und die volle Spannung mit einer erheblichen Verzögerung erreichen, die von der Kabel- und Schaltungsimpedanz abhängen würde (meistens an der Kabelinduktivität). Wenn Sie anstelle eines Kabels ein Hochgeschwindigkeits-Koaxialkabel (wie ein 3-GHz-Satellitenfernsehkabel) verwenden, ist die Verzögerung viel kürzer (80-90% der Lichtgeschwindigkeit bis zur vollen Spannung). Hoffe, das hilft.

Kommentare

• Licht in einer Glasfaser ist auch langsamer als die Vakuumgeschwindigkeit des Lichts.
• I. ‚ bin neugierig auf das “ ausgezeichnete Koax „, also ‚ habe gefragt Gibt es Arten von Standard-Koaxialkabeln mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von 0,9 c? Was wäre die Anwendung? .
• @uhoh: Dieses Dokument zeigt Standardgeschwindigkeiten von bis zu 91% cdn.shopify.com/s/ files / 1/0986/4308 / files / Cable-Delay-FAQ.pdf – Es gibt auch Methoden, um sie weiter zu erhöhen, wenn ich ‚ erfolgreich getestet habe (Sie können Ändern Sie den dielektrischen Effekt durch Anlegen einer Hochspannungsvorspannung. Der Bedarf an hohen Geschwindigkeiten ist nicht für den Geschwindigkeitswert an sich hoch, sondern weil Kabel mit höheren Geschwindigkeiten auch eine höhere Bandbreite und einen geringeren Jitter aufweisen, was für Telekommunikations- und digitale Audioanwendungen von entscheidender Bedeutung ist.
• It ‚ ist ein Kompromiss zwischen Kosten, Praktikabilität und Leistung. Wenn Sie ein Koax mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit nahe c wünschen, muss das Dielektrikum hauptsächlich Luft sein. Luft hält jedoch den Mittelleiter nicht in der Mitte, was in einem Koaxialkabel von sehr hoher Bedeutung ist.Daher sind einige dielektrische Träger erforderlich. Das Dielektrikum kann unter anderem PTFE-Schaum sein.
• Es interessiert sich jedoch fast niemand für die schnellstmögliche Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem Koax. Der Grund, warum “ meistens Luft “ Dielektrika verwendet werden, ist, dass sie sehr geringe Verluste aufweisen, und dies ist wichtig, wenn die übertragene Leistung ist riesig (so dass die Verluste das Dielektrikum zum Schmelzen bringen würden) oder die Entfernung ist sehr groß …

Hängt die Geschwindigkeit der Elektrizität auch von der angelegten Spannung oder dem Widerstand des Leiters ab?

Nicht nur der Widerstand der Leiter, sondern auch die Induktivität. Und auch die Kapazität zur Erde und / oder zum anderen Leiter.

Denken Sie daran, dass ein Stromkreis im Gegensatz zu einem Laser eine vollständige Schleife erfordert. Die Verkabelung zum Transport von Elektrizität umfasst normalerweise 2 Leiter (und manchmal einen dritten Erdungsleiter). Dies ist bei Haushaltsverkabelungen der Fall.

A Übertragungsleitung kann als “ Leiter “ von resistiven und induktiven Elementen mit Kondensatoren zum anderen Leiter modelliert werden. (Bild aus dem verlinkten Wikipedia-Artikel). Dies ist ein “ Block “ einer Übertragungsleitung. Eine reale Übertragungsleitung kann modelliert werden, indem dies wiederholt wird und die Grenze genommen wird, wenn die Anzahl gegen unendlich geht, während der Widerstand / die Induktivität / die Kapazität gegen Null geht. (Normalerweise können Sie Gdx ignorieren, den Widerstand des Isolators, der die Leiter trennt.)

Dieses Modell einer Übertragungsleitung wird als Telegraphengleichung bezeichnet. Es wird davon ausgegangen, dass die Übertragungsleitung einheitlich ist über seine Länge. Unterschiedliche Frequenzen im selben Draht “ siehe “ unterschiedliche $ R $ und $ L $ -Werte, hauptsächlich aufgrund des Skineffekts ( höherer Widerstand bei höherer Frequenz) und Proximity-Effekt . Dies ist für uns unglücklich, da ein Impuls durch Umlegen eines Schalters effektiv eine Rechteckwelle ist, die theoretisch Komponenten aufweist bei unendlich hohen Frequenzen.

Der Artikel über die Übertragungsleitung von Wikipedia leitet diese Gleichung für die Phasenverschiebung eines Wechselstromsignals in einer Übertragungsleitung der Länge $ x $ . (Sie weisen darauf hin, dass ein Phasenvorschub um $ – \ omega \ delta $ einer Zeitverzögerung um $ \ entspricht Delta $ .)

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

Das Endergebnis all dessen ist das elektrische Signale breiten sich mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit aus . Dies ist sinnvoll, da die elektromagnetische Kraft von (virtuellen) Photonen getragen wird ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Weiterführende Literatur:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ zeigt praktisch vs. ideal ( verlustfrei) und zeigt die $ t_ {PD} = \ sqrt {L_0 \ cdot C_0} $ Propagierungsverzögerungsformel und $ \ displaystyle Z_ {0} = {\ sqrt {\ frac {L_0} {C_0}}} $ charakteristische Impedanz und einige Informationen zur Geometrie von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte.

Ich hatte nicht viel Glück, Nummern für die Übertragungsleitungseigenschaften der Haushaltsverkabelung zu finden. Sie sind „nicht zum Senden von Hochfrequenzsignalen geeignet, daher ist es für die meisten Menschen nicht die Mühe, sie zu messen.

Ethernet-Verkabelung (wie Cat5e) verdrillt die Leiter und unterliegt strengen Einschränkungen hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Verdrillungen pro Meter (und andere Eigenschaften). Dies ist wichtig für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen, da Änderungen in der Verkabelung die charakteristische Impedanz (für Wechselstromsignale) ändern und Signalreflexionen verursachen. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). Wechselstromkabel verdrehen die Drähte normalerweise überhaupt nicht, sodass Hochfrequenzsignale Energie durch HF-Emissionen verlieren.

Obwohl sich der Netzschalter nur in einem Leiter befindet, Durch Umlegen des Schalters wird eine Differenz an ein Ende der Übertragungsleitung angelegt. Wir möchten wissen, wann (und in welcher Form) dieser Impuls am anderen Ende auftritt Ende.

Die Haushaltsleistung beträgt 50 oder 60 Hz Wechselstrom. Wenn Sie also den Schalter betätigen, während die Spannungsdifferenz (fast) Null beträgt, hat Ihr Messgerät gewonnen. “ t Messen Sie alles für die Übertragungsverzögerung + den Bruchteil einer Sekunde, damit sich die Phase über die Empfindlichkeitsschwelle des Messgeräts hinaus ändert. Es ist einfacher, wenn Sie davon ausgehen, dass dies nicht der Fall ist, und es einfach als Gleichstromspitze modellieren (da sich die Leistungsphase viel langsamer ändert als die Übertragungsleitungsverzögerung über 10 m Draht.)

Somit bestimmen die Übertragungsleitungseigenschaften des Kabels die Zeitverzögerung von einem Netzschalter, der auf Strom geschaltet wird. “ erscheint “ am anderen Ende eines Drahtes.

Wenn jemand über Relativität / Gleichzeitigkeit streiten möchte, dann führen Sie das Experiment mit einem Spiegel und einer Übertragungsleitung durch, die den Detektor physisch neben dem befindet Schalter, aber immer noch elektrisch durch 10 Meter Verkabelung getrennt.

Kommentare

• Vom Elektronik-Stack-Austausch: Ich stimme dem zu, weil Sie ‚ ist die einzige Erwähnung von Übertragungsleitungen, die die eigentliche Antwort auf die Frage sind … also hier ‚ ist eine hohe Fünf.

C. Analog dazu Wasser in einem Rohr mit einem Ventil an einem Ende.

Wenn das Rohr leer ist, müssen die Wassermoleküle beim Öffnen des Ventils die gesamte Länge des Rohrs zurücklegen, bevor am anderen Ende Wasser austritt. Die benötigte Zeit stellt die Geschwindigkeit des Wassers in der Leitung dar.

Wenn die Leitung jedoch bereits mit Wasser gefüllt ist, beginnt das Wasser aus der Ferne zu fließen, sobald Sie das Ventil öffnen Ende. Diese viel kürzere Zeitspanne stellt die Geschwindigkeit dar, mit der die Informationen (Öffnen des Ventils) durch das Rohr geleitet wurden – im Wesentlichen die Schallgeschwindigkeit im Wasser.

Die Analogie zwischen Wasser und Elektrizität aufgreifen:

Der erste Fall entspricht der Geschwindigkeit der Elektronen selbst (oder der Elektronendrift); Der zweite Fall entspricht der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen.

Im Fall eines Stromkreises wäre die richtige Wasseranalogie das bereits mit Wasser gefüllte Rohr. Die Elektronen, die die Energie entlang des Drahtes tragen, sind immer vorhanden; Der Schalter betätigt oder entfernt einfach das Potenzial, sie voranzutreiben. Das Messen der „Geschwindigkeit“ der Elektrizität bis zu der Zeit, die benötigt wird, damit sich das Schließen eines Schalters irgendwo entlang des Leiters auswirkt, misst die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Medium (elektrischer Leiter), die mit (fast) der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar ist in einem Vakuum.

Es würde alles von den Umständen des Mediums abhängen, durch das sich das Licht bewegt, und vom Typ von Drahtstrom geht vorbei. Wenn jedoch beide vernachlässigt werden können, ist die Lichtgeschwindigkeit schneller. Der Grund dafür ist, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist, was bedeutet, dass es keine Masse hat, da Photonen keine Masse haben. Andererseits ist Elektrizität ein Elektronenfluss, der eine Masse hat und, obwohl wenig, beeinflusst die Gesamtgeschwindigkeit. In diesem Fall handelt es sich jedoch um die Geschwindigkeit der Elektronen Der Energiefluss entspricht immer der Lichtgeschwindigkeit, egal was . Normalerweise wird die Geschwindigkeit jedoch aus der durchlaufenden Energie berechnet Der Draht, der dann langsamer als der des Lichts ist. Eine klarere Erklärung wird hier gezeigt:

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

hoffe, das hilft!

Kommentare

• Wir ‚ Ich spreche nicht von der Geschwindigkeit der Elektronen, sondern von der Geschwindigkeit des Signals. Die Elektronen selbst sind sehr langsam. Siehe en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity und en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity
• Die Geschwindigkeit von Das Signal ist langsamer als die Lichtgeschwindigkeit, aber die Energiegeschwindigkeit ist gleich.

Im engeren Sinne gibt es keine $ „$ Geschwindigkeit der Elektrizität $“ $. Es muss zwischen Ladung und EM-Feld unterschieden werden. Die Geschwindigkeit der Elektrizität kann entweder die Driftgeschwindigkeit der Elektronen (einige mm / s) oder die Geschwindigkeit des das Kabel umgebenden EM-Feldes nahe c sein. Elektrische Energie wird ausschließlich durch das EM-Feld übertragen, wie durch den Poynting-Vektor $ S = E \ times H $ angegeben. (E und S sind innerhalb eines perfekten Leiters Null). Für Gleichstrom lautet die Regel einfach: a) Innerhalb eines Leiters gibt es eine Ladungsübertragung (Strom), aber keine Leistungsübertragung. b) Innerhalb eines Isolators gibt es eine Energieübertragung, aber keine Ladungsübertragung.