Valon nopeus vs. sähkön nopeus

Sähkön nopeus on käsitteellisesti sähkömagneettisen nopeuden. signaali johdossa, mikä on jonkin verran samanlainen kuin valon nopeuden käsite läpinäkyvässä väliaineessa. Joten se on normaalisti pienempi, mutta ei liian paljon pienempi kuin valon nopeus tyhjössä. Nopeus riippuu myös kaapelin rakenteesta. Kaapelin geometria ja eristys vähentävät nopeutta. Hyvillä kaapeleilla saavutetaan 80% valon nopeudesta; erinomaiset kaapelit saavuttavat 90%. Nopeus ei riipu suoraan jännitteestä tai vastuksesta. Eri taajuuksilla on kuitenkin erilainen vaimennus. Esimerkissänne virran kytkemisen hetki edustaa vaimennettua suurtaajuista etuosaa. Vaikka tulossa jännite kasvaisi hyvin nopeasti, ulostulossa se kasvaisi asteittain ikään kuin viiveellä. Se ei todellakaan ole viivästys sinänsä, koska alkuperäinen matalan tason signaali pääsee sinne melkein valon nopeudella, mutta sen amplitudi kasvaa vain vähitellen ja saavuttaa täyden jännitteen huomattavalla viiveellä, joka riippuu kaapelin ja piirin impedanssista (lähinnä kaapelin induktanssista). Jos käytät nopeaa koaksiaalikaapelia (kuten 3GHz: n satelliittitelevisiokaapelia) langan sijaan, viive olisi paljon lyhyempi (80-90% valon nopeudesta täydelle jännitteelle). Toivottavasti tämä auttaa.

Kommentit

• Lasikuituvalo on myös hitaampaa kuin valon tyhjiönopeus.
• I ’ m utelias ” erinomaisesta koaksiaalista ” joten minä ’ ve kysynyt Onko olemassa tavallisia koaksiaalikaapeleita, joiden etenemisnopeus on 0,9 c? Mikä olisi sovellus? .
• @uhoh: Tämä asiakirja näyttää vakionopeudet jopa 91% cdn.shopify.com/s/ files / 1/0986/4308 / files / Cable-Delay-FAQ.pdf – Lisäksi on tapoja lisätä niitä, kun olen testannut onnistuneesti ’ (voit muuttaa dielektristä vaikutusta käyttämällä suurjännitepoikkeamaa). Suurten nopeuksien tarve ei ole suuri sinänsä nopeusarvon perusteella, vaan koska suurempien nopeuksien kaapeleilla on myös suurempi kaistanleveys ja pienempi värinää, mikä on kriittistä tietoliikenne- ja digitaalisen äänen sovelluksissa.
• It ’ on kompromissi kustannusten, käytännöllisyyden ja suorituskyvyn välillä. Jos haluat koaksiaalin, jonka etenemisnopeus on lähellä c: tä, dielektrisen on oltava enimmäkseen ilmaa. Ilma ei kuitenkaan pidä keskijohtoa keskellä, mikä on erittäin tärkeää koaksiaalissa.Joten tarvitaan joitain dielektrisiä tukia. Eristeenä voi olla mm. PTFE-vaahto.
• Lähes ketään ei kuitenkaan kiinnosta suurin mahdollinen etenemisnopeus koaksiassa. Syy ” enamasti-ilma ” -dielektristen laitteiden käyttöön on se, että niillä on hyvin alhaiset häviöt, ja tämä on tärkeää, jos lähetettävä teho valtava (joten tappiot sulaisivat dielektrisen) tai etäisyys on erittäin pitkä …

Onko sähkönopeus riippuvainen käytetystä jännitteestä tai johtimen vastuksesta?

Ei vain johtimien vastus , vaan induktanssi. Ja myös kapasitanssi maahan ja / tai toiseen johtimeen.

Muista, että sähköpiiri vaatii täydellisen silmukan, toisin kuin laser. Johdotus sähkön kuljettamiseen sisältää yleensä 2 johtinta (ja joskus kolmannen maajohtimen). Näin on kotitalouksien johdotuksessa.

A siirtolinja voidaan mallintaa resistiivisten ja induktiivisten elementtien ” tikkaina ”, joissa on kondensaattorit toiseen johtimeen. (Kuva linkitetystä wikipedia-artikkelista). Tämä on yksi siirtojohdon ” lohko ”. Todellinen voimajohto voidaan mallintaa toistamalla tämä ja ottamalla raja, kun numero menee äärettömään, kun taas vastus / induktanssi / kapasitanssi menee nollaan. (Voit yleensä jättää huomioimatta johtimet erottavan eristimen vastuksen Gdx.)

Tätä siirtolinjan mallia kutsutaan lennätinyhtälöksi . Siinä oletetaan, että voimajohto on yhtenäinen sen pituudelta. Eri taajuudet samassa johdossa ” katso ” eri $ R $ – ja $ L $ -arvot, pääasiassa ihovaikutuksen vuoksi ( suurempi vastus korkeammalla taajuudella) ja läheisyysvaikutus . Tämä on meille valitettavaa, koska kytkimen kääntämisen impulssi on käytännössä neliöaalto, jolla on teoriassa komponentteja äärettömän korkeilla taajuuksilla.

Wikipedian siirtolinjaartikkeli johtaa tämän yhtälön AC-signaalin vaihesiirrolle siirtoputkessa, jonka pituus on $ x $ . (He huomauttavat, että eteneminen vaiheittain $ – \ omega \ delta $ vastaa $ \ delta $ .)

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

Kaiken tämän lopputulos on sähköiset signaalit etenevät jossain osassa valon nopeutta . Tämä on järkevää, koska sähkömagneettista voimaa kantavat (virtuaaliset) fotonit ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Lisää lukemista:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ näyttää käytännöllinen vs. häviötön) ja näyttää $ t_ {PD} = \ sqrt {L_0 \ cdot C_0} $ etenemisviiveen kaavan ja $ \ displaystyle Z_ {0} = {\ sqrt {\ frac {L_0} {C_0}}} $ ominaisuusimpedanssi ja joitain juttuja piirilevyn jälkien geometriasta.

Minulla ei ole ollut paljon onnea löytää numeroita kotitalouksien johdotuksen voimajohtojen ominaisuuksista. Ne eivät sovellu suurtaajuussignaalien lähettämiseen, joten useimmat ihmiset eivät vaivaudu mitata sitä.

Ethernet-johdot (kuten Cat5e) kiertävät johtimet yhteen ja niissä on tiukat rajoitukset kierteiden yhtenäisyydelle. metriä kohti (ja muut ominaisuudet). Tämä on tärkeää suurtaajuussignaalien siirtämisessä, koska johdotuksen vaihtelut muuttavat ominaisimpedanssia (AC-signaaleille) ja aiheuttavat signaalin heijastuksia. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). Vaihtovirtajohdot eivät yleensä kierrä johtoja lainkaan, joten suurtaajuussignaalit menettävät energiaa radiotaajuuksille.

Vaikka virtakytkin on vain yhdessä johtimessa, kytkimen kääntäminen käyttää jännitteen eroa voimajohdon toisessa päässä. Haluamme tietää, milloin (ja missä muodossa) pulssi näkyy toisessa loppuun.

Kotitalouden teho on 50 tai 60 Hz vaihtovirta, joten jos satut heittämään kytkimen jännite-eron ollessa (melkein) nolla, mittari voitti ” t mittaa mitä tahansa lähetysviiveelle + sekunnin murto-osa vaiheen muuttuessa mittarin herkkyysrajan yli. Se on helpompaa, jos oletetaan, että näin ei tapahdu, ja mallinnetaan se vain tasapiiriksi (koska tehovaihe muuttuu paljon hitaammin kuin siirtojohdon viive yli 10 metrin johtimessa.)

Siten langan siirtolinjan ominaisuudet määräävät viiveen virtakytkimestä, joka käännetään virtaan ”, joka ilmestyy ” langan toisessa päässä.

Jos joku haluaa kiistellä suhteellisuusteoriasta / samanaikaisuudesta, tee kokeilu peilillä ja voimajohdolla, joka asettaa ilmaisimen fyysisesti viereen. kytkin, mutta silti sähköisesti erotettu 10 metrin johdotuksella.

Kommentit

• Chimiminen elektroniikan pinonvaihdosta: Äänestän tätä, koska sinä ’ ainoa mainitsee voimajohtoja, jotka ovat todellinen vastaus kysymykseen … joten tässä ’ on viisi suurinta.

C onsider analogisesti, vesi putkessa, venttiili toisessa päässä.

Jos putki on tyhjä, kun venttiili avataan, vesimolekyylien on kuljettava putken koko pituudelta, ennen kuin näet, että vettä tulee ulos loppupäästä. Käytetty aika edustaa putken veden nopeutta.

Jos taas putki on jo ladattu vedellä, heti kun avaat venttiilin, vesi alkaa virrata kaukaa loppuun. Tämä paljon lyhyempi ajanjakso edustaa nopeutta, jolla tieto (venttiilin avautuminen) kulki putkea pitkin – lähinnä äänen nopeutta vedessä.

Vedon ja sähkön analogian asettaminen:

Ensimmäinen tapaus vastaa itse elektronien nopeutta (tai elektronin kulkeutumista); toinen tapaus vastaa sähkömagneettisten aaltojen leviämistä.

Sähköpiirin tapauksessa oikea vesianalogiikka olisi jo vedellä täytetty putki. Elektronit, jotka kuljettavat energiaa langan varrella, ovat aina läsnä; kytkin yksinkertaisesti käyttää tai poistaa mahdollisuuden työntää heitä pitkin. Sähkön ”nopeuden” mittaaminen ajasta, joka kuluu kytkimen sulkemiseen, jotta sillä olisi vaikutusta jonnekin johtimen varrella, on sähkömagneettisten aaltojen nopeuden mittaaminen väliaineessa (sähköjohdin), joka on verrattavissa (melkein) valon nopeuteen tyhjiössä.

Se riippuu kaikki olosuhteista, joiden läpi valo kulkee, ja tyypistä langan sähköä kulkee. Jos molemmat voidaan kuitenkin laiminlyödä, valon nopeus on suurempi. Syynä tähän on se, että valo on sähkömagneettinen aalto, eli sillä ei ole massaa, koska fotoneilla ei ole massaa. Toisaalta sähkö on elektronien virta, jolla on massa, ja vaikka se onkin pieni, se vaikuttaa kuitenkin, kun tässä tapauksessa puhumme elektronien nopeudesta. Jos puhumme Virtaava energia on aina yhtä suuri kuin valon nopeus riippumatta siitä, mikä . Yleensä kuitenkin nopeus lasketaan läpi kulkevasta energiasta johto, joka on sitten hitaampi kuin valon. Tässä on selvempi selitys:

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

toivottavasti tämä auttaa!

Kommentit

• Me ’ ei puhuta elektronien nopeudesta, vaan signaalin nopeudesta. Elektronit itse ovat hyvin hitaita. Katso fi.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity ja fi.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity
• signaali on hitaampi kuin valon nopeus, mutta energian nopeus on sama.

Tiukassa mielessä ei ole $ ”$ sähkön nopeutta $” $. Se on erotettava varauksen ja EM-kentän välillä. Sähkön nopeus voi olla joko elektronien siirtymisnopeus (muutama mm / s) tai kaapelia ympäröivän EM-kentän nopeus lähellä c: tä. Sähkötehoa välittää yksinomaan EM-kenttä, kuten Poynting-vektori $ S = E \ kertaa H $ osoittaa. (E ja S ovat nollia täydellisessä johtimessa). Tasavirtaa varten sääntö on yksinkertaisesti: a) Johtimessa on varauksen lähetys (virta), mutta ei voimansiirtoa. b) Eristimessä on voimansiirto, mutta ei varauksensiirtoa.