Lichtsnelheid versus elektriciteitssnelheid

De snelheid van elektriciteit is conceptueel de snelheid van de elektromagnetische signaal in de draad, wat enigszins lijkt op het concept van de lichtsnelheid in een transparant medium. Het is dus normaal gesproken lager, maar niet te veel lager dan de lichtsnelheid in het vacuüm. De snelheid is ook afhankelijk van de kabelconstructie. De kabelgeometrie en de isolatie verlagen beide de snelheid. Goede kabels halen 80% van de lichtsnelheid; uitstekende kabels halen 90%. De snelheid is niet direct afhankelijk van de spanning of weerstand. Verschillende frequenties hebben echter verschillende verzwakking. In uw voorbeeld vertegenwoordigt het moment van inschakelen een hoogfrequent front dat wordt verzwakt. Terwijl aan de ingang de spanning erg snel zou stijgen, zou deze aan de uitgang geleidelijk toenemen, alsof het vertraagd was. Het is op zich niet echt een vertraging, omdat het aanvankelijke lage-niveausignaal daar bijna met de lichtsnelheid zou komen, maar de amplitude zou slechts geleidelijk toenemen en de volledige spanning bereiken met een aanzienlijke vertraging die zou afhangen van de kabel- en circuitimpedantie. (meestal op de kabelinductie). Als u een coaxkabel met hoge snelheid gebruikt (zoals een 3GHz-kabel voor satelliet-tv) in plaats van een draad, zou de vertraging veel korter zijn (80-90% van de lichtsnelheid tot de volledige spanning). Ik hoop dat dit helpt.

Opmerkingen

• Licht in een glasvezel is ook langzamer dan de vacuümsnelheid van het licht.
• I ‘ m benieuwd naar de ” uitstekende coax ” dus ik ‘ ve gevraagd Zijn er typen standaard coaxkabel met een voortplantingssnelheid van 0,9c? Wat zou de toepassing zijn? .
• @uhoh: dit document toont standaardsnelheden tot 91% cdn.shopify.com/s/ files / 1/0986/4308 / files / Cable-Delay-FAQ.pdf – Er zijn ook methoden om ze verder uit te breiden, aangezien ik ‘ met succes heb getest (u kunt verander het diëlektrische effect door een hoge spanning toe te passen). De behoefte aan hoge snelheden is groot, niet voor de snelheidswaarde per se, maar omdat kabels met hogere snelheden ook een hogere bandbreedte en lagere jitter hebben, wat cruciaal is in telecom- en digitale audiotoepassingen.
• It ‘ is een afweging tussen kosten, bruikbaarheid en prestaties. Als je een coax wilt met een voortplantingssnelheid dichtbij c, dan zal het diëlektricum voornamelijk lucht moeten zijn. Lucht houdt de middengeleider echter niet in het midden, wat van zeer groot belang is bij een coax.Er zijn dus enkele diëlektrische steunen vereist. Het diëlektricum kan bijvoorbeeld PTFE-schuim zijn.
• Bijna niemand is echter geïnteresseerd in de hoogst mogelijke voortplantingssnelheid in een coax. De reden dat ” most-air ” diëlektrica worden gebruikt, is dat ze zeer lage verliezen hebben, en dit is belangrijk als het uitgezonden vermogen enorm (dus de verliezen zouden het diëlektricum doen smelten) of de afstand is erg lang …

Is de snelheid van de elektriciteit ook afhankelijk van de toegepaste spanning of de weerstand van de geleider?

Niet alleen de weerstand van de geleiders, maar ook de inductantie. En ook de capaciteit naar aarde en / of naar de andere geleider.

Onthoud dat een elektrisch circuit een volledige lus vereist, in tegenstelling tot een laser. Bedrading om elektriciteit te transporteren omvat normaal gesproken 2 geleiders (en soms een 3e aardgeleider). Dit is het geval voor huishoudelijke bedrading.

A transmissielijn kan worden gemodelleerd als een ” ladder ” van resistieve en inductieve elementen met condensatoren naar de andere geleider. (Afbeelding uit het gelinkte Wikipedia-artikel). Dit is een ” blok ” van een transmissielijn. Een echte transmissielijn kan worden gemodelleerd door dit te herhalen, en de limiet te nemen als het getal naar oneindig gaat, terwijl de weerstand / inductie / capaciteit naar nul gaat. (Gewoonlijk kun je Gdx negeren, de weerstand van de isolator die de geleiders scheidt.)

Dit model van een transmissielijn wordt de telegrafievergelijkingen genoemd. Het veronderstelt dat de transmissielijn uniform is over zijn lengte. Verschillende frequenties in dezelfde draad ” zie ” verschillende $ R $ en $ L $ waarden, voornamelijk als gevolg van het skin-effect ( hogere weerstand bij hogere frequentie) en nabijheidseffect . Dit is jammer voor ons, omdat een impuls van het omzetten van een schakelaar in feite een blokgolf is, die in theorie componenten heeft op oneindig hoge frequenties.

Wikipedias transmissielijnartikel leidt deze vergelijking af voor de faseverschuiving van een AC-signaal in een transmissielijn met een lengte $ x $ . (Ze wijzen erop dat een vooruitgang in fase door $ – \ omega \ delta $ gelijk staat aan een vertraging van $ \ delta $ .)

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

Het eindresultaat van dit alles is dat elektrische signalen planten zich voort met een fractie van de lichtsnelheid . Logisch, want de elektromagnetische kracht wordt gedragen door (virtuele) fotonen ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Verder lezen:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ toont praktische vs. ideale ( lossless) en toont de $ t_ {PD} = \ sqrt {L_0 \ cdot C_0} $ propagatie-vertragingsformule en $ \ displaystyle Z_ {0} = {\ sqrt {\ frac {L_0} {C_0}}} $ karakteristieke impedantie, en wat dingen over geometrie van sporen op een printplaat.

Ik heb “niet veel geluk gehad met het vinden van getallen voor de transmissielijnkenmerken van huishoudelijke bedrading. Ze zijn ongeschikt voor het verzenden van hoogfrequente signalen, dus het is niet iets dat de meeste mensen de moeite doen om te meten.

Ethernet-bedrading (zoals Cat5e) draait de geleiders samen en heeft strikte beperkingen voor de uniformiteit van wendingen per meter (en andere kenmerken). Dit is belangrijk voor het dragen van hoogfrequente signalen, omdat variaties in de bedrading de karakteristieke impedantie (voor AC-signalen) veranderen en signaalreflecties veroorzaken. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). Wisselstroomkabels verdraaien de draden meestal helemaal niet, dus hoogfrequente signalen verliezen energie aan RF-emissies.

Ook al zit de aan / uit-schakelaar maar in één geleider, als je de schakelaar omdraait, wordt een verschil spanningsverschil toegepast over het ene uiteinde van de transmissielijn. Wat we willen weten is wanneer (en in welke vorm) die puls zal verschijnen aan de andere einde.

De stroom van het huishouden is 50 of 60 Hz wisselstroom, dus als je toevallig de schakelaar omgooit terwijl het spanningsverschil (bijna) nul is, wint je meter ” t meet iets voor transmissievertraging + de fractie van een seconde voor de fase om voorbij de gevoeligheidsdrempel van de meter te veranderen. Het is gemakkelijker als je ervan uitgaat dat dit niet gebeurt en het gewoon als een DC-piek modelleert (aangezien de voedingsfase veel langzamer verandert dan de transmissielijnvertraging over 10m draad.)

De transmissielijnkarakteristieken van de draad bepalen dus de tijdsvertraging tussen het omzetten van een aan / uit-schakelaar en de stroom ” verschijnt ” aan het uiteinde van een draad.

Als iemand wil discussiëren over relativiteit / gelijktijdigheid, doe dan het experiment met een spiegel en een transmissielijn die de detector fysiek naast de schakelaar, maar nog steeds elektrisch gescheiden door 10 meter bedrading.

Opmerkingen

• Chiming in from electronics stackexchange: Ik stem dit op omdat je ‘ zijn de enige die transmissielijnen noemt, die het echte antwoord op de vraag zijn … dus hier ‘ sa high five.

C naar analogie, water in een pijp, met een klep aan één uiteinde.

Als de buis leeg is en je de klep opent, moeten de watermoleculen de hele lengte van de buis afleggen voordat je aan het andere uiteinde water ziet komen. De tijd die nodig is, geeft de snelheid van het water in de buis weer.

Aan de andere kant, als de buis al gevuld is met water, begint het water uit de verte te stromen zodra je de klep opent. einde. Deze veel kortere tijdsperiode vertegenwoordigt de snelheid waarmee de informatie (openen van de klep) door de buis stroomde – in wezen de geluidssnelheid in water.

De analogie tussen water en elektriciteit:

Het eerste geval komt overeen met de snelheid van de elektronen zelf (of elektronendrift); het tweede geval komt overeen met de voortplanting van elektromagnetische golven.

In het geval van een elektrisch circuit zou de juiste wateranalogie de buis zijn die al met water is gevuld. De elektronen die de energie langs de draad dragen, zijn altijd aanwezig; de schakelaar past of verwijdert gewoon de mogelijkheid om ze voort te duwen. Het meten van de snelheid van elektriciteit tegen de tijd die nodig is voor het sluiten van een schakelaar om ergens langs de geleider effect te hebben, is het meten van de snelheid van elektromagnetische golven in het medium (elektrische geleider) die vergelijkbaar is met (bijna) de lichtsnelheid in een vacuüm.

Het zou allemaal afhangen van de omstandigheden van het medium waar het licht doorheen reist, en het type van draadelektriciteit gaat voorbij. Als beide echter kunnen worden verwaarloosd, zal de lichtsnelheid hoger zijn. De reden hiervoor is dat licht een elektromagnetische golf is, wat betekent dat het geen massa heeft, aangezien fotonen geen massa hebben. Aan de andere kant is elektriciteit een stroom van elektronen, die een massa hebben, en hoewel het weinig massa heeft, de algehele snelheid. Echter wanneer we het in dit geval hebben over de snelheid van de elektronen. Als we het hebben over de snelheid van de energiestroom zal altijd gelijk zijn aan de lichtsnelheid, ongeacht . Meestal wordt de snelheid echter berekend op basis van de energie die door de draad, die dan langzamer is dan die van licht. Een duidelijkere uitleg wordt hier getoond:

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

Ik hoop dat dit helpt!

Reacties

• Wij ‘ hebben het niet over de snelheid van elektronen, maar over de snelheid van het signaal. De elektronen zelf zijn erg traag. Zie en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity en en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity
• De snelheid van het signaal zal langzamer zijn dan de lichtsnelheid, maar de energiesnelheid zal hetzelfde zijn.

In strikte zin is er geen $ “$ elektriciteitssnelheid $” $. Er moet onderscheid worden gemaakt tussen lading en EM-veld. Snelheid van elektriciteit kan de driftsnelheid van elektronen zijn (enkele mm / sec) of de snelheid van het EM-veld rond de kabel, dichtbij c. Elektrisch vermogen wordt uitsluitend uitgezonden door het EM-veld zoals aangegeven door de Poynting-vector $ S = E \ maal H $. (E en S zijn nul binnen een perfecte geleider). Voor gelijkstroom is de regel eenvoudig: a) Binnen een geleider is er wel ladingstransmissie (stroom), maar geen krachtoverbrenging. b) Binnen een isolator is er krachtoverdracht, maar geen ladingsoverdracht.