Velocità della luce vs velocità dellelettricità

La velocità dellelettricità è concettualmente la velocità dellelettromagnetico segnale nel filo, che è in qualche modo simile al concetto di velocità della luce in un mezzo trasparente. Quindi è normalmente inferiore, ma non troppo, alla velocità della luce nel vuoto. La velocità dipende anche dalla struttura del cavo. Sia la geometria del cavo che lisolamento riducono la velocità. I buoni cavi raggiungono l80% della velocità della luce; cavi eccellenti raggiungono il 90%. La velocità non dipende direttamente dalla tensione o dalla resistenza. Tuttavia, frequenze diverse hanno unattenuazione diversa. Nel tuo esempio, il momento stesso dellaccensione rappresenta un fronte di alta frequenza che verrà attenuato. Mentre in ingresso la tensione aumenterebbe molto velocemente, in uscita aumenterebbe gradualmente, come con un ritardo. Non è proprio un ritardo di per sé, perché il segnale di basso livello iniziale ci arriverebbe quasi alla velocità della luce, ma la sua ampiezza aumenterebbe solo gradualmente e raggiungerebbe la piena tensione con un ritardo sostanziale che dipenderebbe dal cavo e dallimpedenza del circuito (principalmente sullinduttanza del cavo). Se si utilizza un cavo coassiale ad alta velocità (come un cavo TV satellitare da 3 GHz) invece di un filo, il ritardo sarebbe molto più breve (80-90% della velocità della luce alla piena tensione). Spero che questo aiuti.

Commenti

• La luce in una fibra di vetro è anche più lenta della velocità del vuoto della luce.
• I ‘ sono curioso di sapere l ” eccellente coassiale ” quindi ‘ ho chiesto Esistono tipi di cavi coassiali standard con una velocità di propagazione di 0.9c? Quale sarebbe lapplicazione? .
• @uhoh: questo documento mostra velocità standard fino al 91% cdn.shopify.com/s/ files / 1/0986/4308 / files / Cable-Delay-FAQ.pdf – Esistono anche metodi per aumentarli ulteriormente man mano che ‘ ho testato con successo (puoi modificare leffetto dielettrico applicando una polarizzazione ad alta tensione). La necessità di velocità elevate è elevata non per il valore di velocità di per sé, ma perché i cavi con velocità più elevate hanno anche una larghezza di banda maggiore e un jitter inferiore che è fondamentale nelle applicazioni di telecomunicazioni e audio digitale.
• It ‘ un compromesso tra costo, praticità e prestazioni. Se si desidera un cavo coassiale con velocità di propagazione prossima a c, il dielettrico dovrà essere principalmente aria. Tuttavia laria non trattiene il conduttore centrale al centro, il che è molto importante in un cavo coassiale.Quindi sono necessari alcuni supporti dielettrici. Il dielettrico può essere, ad esempio, schiuma di PTFE, tra gli altri.
• Tuttavia, quasi nessuno è interessato alla velocità di propagazione più veloce possibile in un coassiale. Il motivo per cui vengono utilizzati i dielettrici ” most-air ” è che hanno perdite molto basse e questo è importante se la potenza trasmessa è enorme (quindi le perdite fonderebbero il dielettrico) o la distanza è molto lunga …

Inoltre, la velocità dellelettricità dipende dalla tensione applicata o dalla resistenza del conduttore?

Non solo la resistenza dei conduttori, ma anche linduttanza. E anche la capacità a massa e / o allaltro conduttore.

Ricorda che un circuito elettrico richiede un loop completo, a differenza di un laser. Il cablaggio per trasportare lelettricità normalmente include 2 conduttori (e talvolta un 3 ° conduttore di terra). Questo è il caso del cablaggio domestico.

Una linea di trasmissione può essere modellato come una ” scala ” di elementi resistivi e induttivi con condensatori sullaltro conduttore. (Immagine dallarticolo di wikipedia collegato). Questo è un ” blocco ” di una linea di trasmissione. Una vera linea di trasmissione può essere modellata ripetendo questo e prendendo il limite poiché il numero va allinfinito mentre la resistenza / induttanza / capacità va a zero. (Di solito puoi ignorare Gdx, la resistenza dellisolante che separa i conduttori.)

Questo modello di linea di trasmissione è chiamato equazioni di telegrafista . Presume che la linea di trasmissione sia uniforme sulla sua lunghezza. Diverse frequenze nello stesso cavo ” vedi ” diverse $ R $ e $ L $ , principalmente a causa dell effetto pelle ( maggiore resistenza a frequenze più alte) e effetto di prossimità . Questo è un peccato per noi, perché un impulso proveniente dallattivazione di un interruttore è effettivamente unonda quadra, che in teoria ha componenti a frequenze infinitamente alte.

Larticolo sulla linea di trasmissione di Wikipedia deriva questa equazione per lo sfasamento di un segnale CA in una linea di trasmissione di lunghezza $ x $ . (Sottolineano che un avanzamento di fase di $ – \ omega \ delta $ equivale a un ritardo di $ \ delta $ .)

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

Il risultato finale di tutto questo è che i segnali elettrici si propagano a una frazione della velocità della luce . Questo ha senso, perché la forza elettromagnetica è trasportata da fotoni (virtuali) ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Ulteriori letture:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ mostra pratiche vs. ideali ( lossless) e mostra la formula $ t_ {PD} = \ sqrt {L_0 \ cdot C_0} $ propagation-delay e $ \ displaystyle Z_ {0} = {\ sqrt {\ frac {L_0} {C_0}}} $ impedenza caratteristica e alcune cose sulla geometria delle tracce su un circuito stampato.

Non ho “avuto molta fortuna nel trovare numeri per le caratteristiche della linea di trasmissione del cablaggio domestico. Non sono adatti per linvio di segnali ad alta frequenza, quindi non è qualcosa che la maggior parte delle persone si preoccupa di misurare.

Il cablaggio Ethernet (come Cat5e) attorciglia i conduttori e ha strette restrizioni sulluniformità delle torsioni al metro (e altri caratteristiche). Questo è importante per il trasporto di segnali ad alta frequenza, poiché le variazioni nel cablaggio modificano limpedenza caratteristica (per i segnali CA) e causano riflessioni del segnale. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). I cavi di alimentazione CA di solito non attorcigliano affatto i fili, quindi i segnali ad alta frequenza perderanno energia a causa delle emissioni RF.

Anche se linterruttore di alimentazione si trova su un solo conduttore, spostando linterruttore applica una differenza di tensione a unestremità della linea di trasmissione. Quello che vogliamo sapere è quando (e in quale forma) quellimpulso apparirà sullaltro fine.

Lalimentazione domestica è di 50 o 60 Hz CA, quindi se ti capita di premere linterruttore mentre la differenza di tensione è (quasi) zero, il tuo contatore ha vinto ” t misurare qualsiasi cosa per il ritardo di trasmissione + la frazione di secondo affinché la fase cambi oltre la soglia di sensibilità del misuratore. È più facile se si presume che ciò non accada e si modella semplicemente come un picco CC (poiché la fase di alimentazione cambia molto più lentamente del ritardo della linea di trasmissione su 10 m di cavo).

Pertanto, le caratteristiche della linea di trasmissione del cavo sono ciò che determina il ritardo di tempo che intercorre tra il passaggio di un interruttore di alimentazione e la ” che appare ” allestremità di un filo.

Se qualcuno vuole discutere sulla relatività / simultaneità, allora fai lesperimento con uno specchio e una linea di trasmissione che pone il rilevatore fisicamente vicino al interruttore, ma ancora separato elettricamente da 10 metri di cablaggio.

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• Interlocutore dallo stackexchange dellelettronica: voto positivo perché ‘ è lunico a menzionare le linee di trasmissione, che sono la vera risposta alla domanda … quindi ecco ‘ un cinque.

C si consideri per analogia lacqua in un tubo, con una valvola a unestremità.

Se il tubo è vuoto, quando apri la valvola, le molecole dacqua devono percorrere lintera lunghezza del tubo prima che tu possa vedere lacqua fuoriuscire allestremità. Il tempo impiegato rappresenta la velocità dellacqua nel tubo.

Daltra parte, se il tubo è già carico dacqua, non appena si apre la valvola, lacqua inizia a fluire dal lontano fine. Questo periodo di tempo molto più breve rappresenta la velocità con cui le informazioni (apertura della valvola) hanno viaggiato lungo il tubo, essenzialmente la velocità del suono nellacqua.

Allineando lanalogia tra acqua ed elettricità:

Il primo caso corrisponde alla velocità degli elettroni stessi (o deriva elettronica); il secondo caso corrisponde alla propagazione delle onde elettromagnetiche.

Nel caso di un circuito elettrico, lanalogia corretta con lacqua sarebbe il tubo già pieno dacqua. Gli elettroni che trasportano lenergia lungo il filo sono sempre presenti; linterruttore semplicemente applica o rimuove il potenziale per spingerli avanti. Misurare la “velocità” dellelettricità in base al tempo impiegato dalla chiusura di un interruttore per avere un effetto da qualche parte lungo il conduttore è misurare la velocità delle onde elettromagnetiche nel mezzo (conduttore elettrico) che è paragonabile a (quasi) la velocità della luce nel vuoto.

Dipenderebbe tutto dalle circostanze del mezzo attraverso il quale la luce sta viaggiando e dal tipo di elettricità del cavo sta passando. Tuttavia, se entrambi possono essere trascurati, la velocità della luce sarà maggiore. Il motivo è che la luce è unonda elettromagnetica, il che significa che non ha massa, poiché i fotoni non hanno massa. Daltra parte, lelettricità è un flusso di elettroni, che hanno una massa e, sebbene poca, influenzerà la velocità complessiva. Tuttavia quando in questo caso stiamo parlando della velocità degli elettroni. Se parliamo della velocità di lenergia che scorre sarà sempre uguale alla velocità della luce indipendentemente da . Di solito, però, la velocità è calcolata in base allenergia che attraversa il filo, che è quindi più lento di quello della luce. Una spiegazione più chiara è mostrata qui:

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

spero che questo aiuti!

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• Noi ‘ non parliamo della velocità degli elettroni, ma della velocità del segnale. Gli elettroni stessi sono molto lenti. Vedi en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity e en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity
• La velocità di il segnale sarà più lento della velocità della luce, ma la velocità dellenergia sarà la stessa.

In senso stretto non esiste $ “$ velocità dellelettricità $” $. Deve essere distinto tra carica e campo EM. La velocità dellelettricità può essere la velocità di deriva degli elettroni (pari a pochi mm / sec) o la velocità del campo EM che circonda il cavo, vicino a c. Lenergia elettrica viene trasmessa esclusivamente dal campo EM come indicato dal vettore di Poynting $ S = E \ volte H $. (E e S sono zero allinterno di un conduttore perfetto). Per DC, la regola è semplicemente: a) Allinterno di un conduttore, cè trasmissione di carica (corrente), ma nessuna trasmissione di potenza. b) Allinterno di un isolatore, cè trasmissione di potenza, ma nessuna trasmissione di carica.