Lysets hastighet mot hastigheten på elektrisitet

Elektrisitetens hastighet er konseptuelt hastigheten til det elektromagnetiske signal i ledningen, som ligner noe på konseptet med lysets hastighet i et gjennomsiktig medium. Så det er normalt lavere, men ikke for mye lavere enn lysets hastighet i vakuumet. Hastigheten avhenger også av kabelkonstruksjonen. Kabelgeometrien og isolasjonen reduserer begge hastigheten. Gode kabler oppnår 80% av lysets hastighet; gode kabler oppnår 90%. Hastigheten avhenger ikke direkte av spenningen eller motstanden. Imidlertid har forskjellige frekvenser ulik demping. I eksempelet ditt representerer øyeblikket for å slå på en høyfrekvent front som vil dempes. Mens spenningen øker veldig raskt ved inngangen, vil den øke gradvis, som om den er forsinket. Det er egentlig ikke en forsinkelse i seg selv, fordi det opprinnelige lavnivåsignalet ville komme dit nesten med lysets hastighet, men amplituden ville bare gradvis øke og nå full spenning med en betydelig forsinkelse som ville avhenge av kabel- og kretsimpedansen (for det meste på kabelinduktansen). Hvis du bruker en koaksialkabel med høy hastighet (som en 3GHz satellitt-TV-kabel) i stedet for en ledning, vil forsinkelsen være mye kortere (80-90% av lysets hastighet til full spenning). Håper dette hjelper.

Kommentarer

• Lys i en glasfiber er også langsommere enn lysets vakuumhastighet.
• I ‘ er nysgjerrig på » utmerket coax » så jeg ‘ har spurt Finnes det typer standard koaksialkabel med en forplantningshastighet på 0,9c? Hva ville være applikasjonen? .
• @uhoh: Dette dokumentet viser standardhastigheter opp til 91% cdn.shopify.com/s/ files / 1/0986/4308 / files / Cable-Delay-FAQ.pdf – Det finnes også metoder for å øke dem ytterligere når jeg ‘ har blitt testet (du kan endre dielektrisk effekt ved å bruke en høyspenningsforstyrrelse). Behovet for høye hastigheter er høyt ikke for hastighetsverdien i seg selv, men fordi kabler med høyere hastigheter også har høyere båndbredde og lavere jitter som er kritisk i applikasjoner for telekom og digital lyd.
• Det ‘ en kompromiss mellom pris, praktisk og ytelse. Hvis du vil ha en koaks med forplantningshastighet nær c, må dielektrikumet være mest luft. Imidlertid holder luft ikke senterlederen i sentrum, noe som er veldig viktig i et koaks.Så det kreves noen dielektriske støtter. Dielektrikumet kan blant annet være PTFE-skum.
• Imidlertid er nesten ingen interessert i raskest formeringshastighet i en koaks. Årsaken til at » hovedsakelig luft » dielektrikker brukes er at de har svært lave tap, og dette er viktig hvis kraften som overføres er enormt (slik at tapene vil smelte dielektrikumet) eller avstanden er veldig lang …

Er også hastigheten på strømmen avhengig av spenningen som er påført eller motstanden til lederen?

Ikke bare ledernes motstand men induktansen. Og også kapasitansen til jord og / eller til den andre lederen.

Husk at en elektrisk krets krever en komplett sløyfe, i motsetning til en laser. Ledninger for å bære strøm inkluderer normalt to ledere (og noen ganger en tredje jordleder). Dette er tilfelle for husholdningsledninger.

A overføringsledning kan modelleres som en » stige » av resistive og induktive elementer med kondensatorer til den andre lederen. (Bilde fra den koblede wikipedia-artikkelen). Dette er en » -blokk » av en overføringslinje. En ekte overføringslinje kan modelleres ved å gjenta dette, og ta grensen når tallet går til uendelig mens motstanden / induktansen / kapasitansen går til null. (Du kan vanligvis ignorere Gdx, motstanden til isolatoren som skiller lederne.)

Denne overføringslinjemodellen kalles telegrafens ligninger . Den antar at overføringslinjen er ensartet over lengden. Ulike frekvenser i samme ledning » se » forskjellig $ R $ og $ L $ verdier, hovedsakelig på grunn av hudeffekt ( høyere motstand ved høyere frekvens) og nærhetseffekt . Dette er uheldig for oss, fordi en impuls fra å snu en bryter faktisk er en firkantbølge, som i teorien har komponenter ved uendelig høye frekvenser.

Wikipedias overføringslinjeartikkel utledes denne ligningen for faseforskyvning av et AC-signal i en overføringslinje med lengde span class = «math-container»> $ x $ . (De påpeker at et fremskritt i fase med $ – \ omega \ delta $ tilsvarer 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} $

Sluttresultatet av alt dette er at elektriske signaler forplanter seg med en brøkdel av lysets hastighet . Dette er fornuftig fordi den elektromagnetiske kraften bæres av (virtuelle) fotoner ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Videre lesing:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ viser praktisk kontra ideell ( lossless) og viser $ t_ {PD} = \ sqrt {L_0 \ cdot C_0} $ formel for formeringsforsinkelse og $ \ displaystyle Z_ {0} = {\ sqrt {\ frac {L_0} {C_0}}} $ karakteristisk impedans, og noen ting om geometri av spor på kretskort.

Jeg har ikke hatt så mye hell å finne tall for overføringslinjegenskapene til husholdningsledninger. De er «uegnet til å sende høyfrekvente signaler, så det er ikke noe folk flest gidder å måle.

Ethernet-ledninger (som Cat5e) vrir lederne sammen, og har stramme begrensninger for ensartetheten av vendinger per meter (og annet kjennetegn). Dette er viktig for å bære høyfrekvente signaler, fordi variasjoner i ledningene endrer den karakteristiske impedansen (for vekselstrømssignaler) og forårsaker signalrefleksjoner. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). Vekselstrømskabler vrir vanligvis ikke ledningene i det hele tatt, så høyfrekvente signaler vil miste energi til RF-utslipp.

Selv om strømbryteren bare er i en leder, å snu bryteren bruker en spennings forskjell over den ene enden av overføringslinjen. Det vi vil vite er når (og i hvilken form) den pulsen vil vises i den andre slutt.

Husholdningseffekten er 50 eller 60 Hz AC, så hvis du tilfeldigvis kaster bryteren mens spenningsforskjellen er (nesten) null, vant måleren din » t måle noe for overføringsforsinkelse + brøkdelen av et sekund for at fasen skal skifte forbi målerens følsomhetsterskel. Det er lettere hvis du antar at det ikke skjer, og bare modeller det som en DC-topp (siden kraftfasen endres mye tregere enn overføringslinjens forsinkelse over 10 meter ledning.)

Dermed er overføringslinjeegenskapene til ledningen det som bestemmer tidsforsinkelsen fra en strømbryter som vendes til strøm » som vises » ytterst på en ledning.

Hvis noen vil krangle om relativitet / samtidighet, så gjør eksperimentet med et speil og en overføringslinje som setter detektoren fysisk ved siden av bryter, men fremdeles elektrisk atskilt med 10 meter ledninger.

Kommentarer

• Chiming inn fra elektronikk stackexchange: Jeg oppstemte dette fordi du ‘ er den eneste som nevner overføringslinjer, som er det virkelige svaret på spørsmålet … så her ‘ er en high five.

C onsider analogt, vann i et rør, med en ventil i den ene enden.

Hvis røret er tomt, når du åpner ventilen, må vannmolekylene bevege seg hele rørlengden før du ser noe vann dukker opp ytterst. Tiden det tar representerer hastigheten på vannet i røret.

På den annen side, hvis røret allerede er fylt med vann, så snart du åpner ventilen, begynner vannet å strømme ut av det fjerne slutt. Denne mye kortere tidsperioden representerer hastigheten der informasjonen (åpningen av ventilen) beveget seg nedover i røret – i hovedsak lydens hastighet i vann.

Oppstilling av analogien mellom vann og elektrisitet:

Det første tilfellet tilsvarer elektronenes hastighet (eller elektrondrift); det andre tilfellet tilsvarer forplantningen av elektromagnetiske bølger.

Når det gjelder en elektrisk krets, vil den riktige vannanalogen være røret som allerede er fylt med vann. Elektronene som bærer energien langs ledningen er alltid til stede; bryteren bare bruker eller fjerner potensialet for å skyve dem sammen. Måling av «hastigheten» av elektrisitet etter den tiden det tar å lukke en bryter for å ha en effekt et sted langs lederen, måler hastigheten på elektromagnetiske bølger i mediet (elektrisk leder) som er sammenlignbar med (nesten) lyshastigheten i et vakuum.

Alt avhenger av forholdene til mediet lyset beveger seg gjennom, og typen av ledningsstrøm passerer. Men hvis begge er i stand til å bli neglisjert, vil lysets hastighet være raskere. Årsaken til dette er fordi lys er en elektromagnetisk bølge, noe som betyr at den ikke har masse, siden fotoner ikke har masse. På den annen side er elektrisitet en strøm av elektroner som har en masse, og selv om den er liten, vil den påvirke den totale hastigheten. Men når vi i dette tilfellet snakker om elektronens hastighet. Hvis vi snakker om hastigheten på energistrømmen vil alltid være lik lysets hastighet uansett . Vanligvis beregnes imidlertid hastigheten av energien som går gjennom ledningen, som da er langsommere enn lysets. En tydeligere forklaring vises her:

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

håper dette hjelper!

Kommentarer

• Vi ‘ snakker ikke om elektronenes hastighet, men hastigheten på signalet. Selve elektronene er veldig sakte. Se no.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity og no.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity
• Hastigheten på signalet vil være tregere enn lysets hastighet, men energien vil være den samme.

I streng forstand er det ingen $ «$ hastighet på elektrisitet $» $. Det må skilles mellom ladning og EM-felt. Elektrisitetshastighet kan enten være drivhastigheten til elektroner (noen få mm / sek,) eller hastigheten til EM-feltet som omgir kabelen, nær c. Elektrisk kraft overføres utelukkende av EM-feltet som indikert av Poynting-vektoren $ S = E \ ganger H $. (E og S er null innenfor en perfekt leder). For DC er regelen ganske enkelt: a) Innen en leder er det ladetransmisjon (strøm), men ingen kraftoverføring. b) Innenfor en isolator er det kraftoverføring, men ingen ladningsoverføring.