Prędkość światła a prędkość elektryczności

Prędkość elektryczności jest koncepcyjnie szybkością elektromagnetycznego sygnał w przewodzie, który jest nieco podobny do koncepcji prędkości światła w przezroczystym medium. Czyli normalnie jest niższa, ale nie za dużo niższa niż prędkość światła w próżni. Prędkość zależy również od konstrukcji kabla. Geometria kabla i izolacja zmniejszają prędkość. Dobre kable osiągają 80% prędkości światła; doskonałe kable osiągają 90%. Prędkość nie zależy bezpośrednio od napięcia ani rezystancji. Jednak różne częstotliwości mają różne tłumienie. W twoim przykładzie, sam moment włączenia reprezentuje front wysokiej częstotliwości, który zostanie osłabiony. Podczas gdy na wejściu napięcie wzrastałoby bardzo szybko, na wyjściu wzrastałoby stopniowo, jakby z opóźnieniem. Nie jest to tak naprawdę opóźnienie samo w sobie, ponieważ początkowy sygnał niskiego poziomu docierałby tam prawie z prędkością światła, ale jego amplituda tylko stopniowo wzrastałaby i osiągała pełne napięcie ze znacznym opóźnieniem, które zależałoby od impedancji kabla i obwodu. (głównie na indukcyjności kabla). Jeśli zamiast przewodu użyjesz szybkiego kabla koncentrycznego (takiego jak kabel telewizji satelitarnej 3GHz), opóźnienie będzie znacznie mniejsze (80-90% prędkości światła do pełnego napięcia). Mam nadzieję, że to pomoże.

Komentarze

• Światło we włóknie szklanym jest również wolniejsze niż prędkość światła w próżni.
• I ' Jestem ciekawy ” doskonałego przewodu koncentrycznego „, więc ' ve pytał Czy istnieją typy standardowych kabli koncentrycznych o prędkości propagacji 0,9c? Jakie byłoby zastosowanie? .
• @uhoh: ten dokument pokazuje prędkości standardowe do 91% cdn.shopify.com/s/ files / 1/0986/4308 / files / Cable-Delay-FAQ.pdf – Istnieją również metody dalszego ich zwiększania, ponieważ pomyślnie ' testowałem (możesz zmienić efekt dielektryczny poprzez zastosowanie odchylenia wysokiego napięcia). Potrzeba dużych prędkości jest duża nie ze względu na wartość prędkości jako taką, ale dlatego, że kable o wyższych prędkościach mają również wyższą przepustowość i niższy jitter, co jest krytyczne w zastosowaniach telekomunikacyjnych i cyfrowych audio.
• It ' to kompromis między kosztami, praktycznością i wydajnością. Jeśli chcesz mieć kabel koncentryczny o prędkości propagacji zbliżonej do c, wówczas dielektrykiem będzie musiało być głównie powietrze. Jednak powietrze nie utrzymuje środkowego przewodnika w środku, co ma bardzo duże znaczenie w przypadku kabla koncentrycznego.Dlatego wymagane są podpory dielektryczne. Dielektrykiem może być na przykład pianka PTFE.
• Jednak prawie nikogo nie interesuje jak najszybsza propagacja w kablu koncentrycznym. Powodem stosowania ” dielektryków przeważnie powietrznych ” jest to, że mają one bardzo niskie straty. Jest to ważne, jeśli przesyłana moc jest ogromne (więc straty stopiłyby dielektryk) lub odległość jest bardzo duża …

Czy również prędkość prądu zależy od przyłożonego napięcia lub rezystancji przewodnika?

Nie tylko rezystancja przewodników, ale także indukcyjność. A także pojemność do uziemienia i / lub do drugiego przewodnika.

Pamiętaj, że obwód elektryczny wymaga pełnej pętli, w przeciwieństwie do lasera. Okablowanie do przenoszenia energii elektrycznej zwykle obejmuje 2 przewody (i czasami trzeci przewód uziemiający). Tak jest w przypadku okablowania domowego.

A linia przesyłowa można zamodelować jako ” drabinę ” elementów rezystancyjnych i indukcyjnych z kondensatorami do drugiego przewodu. (Zdjęcie z artykułu z połączonej Wikipedii). To jest jeden ” blok ” linii przesyłowej. Rzeczywistą linię przesyłową można modelować, powtarzając to i przyjmując granicę, gdy liczba zbliża się do nieskończoności, podczas gdy rezystancja / indukcyjność / pojemność spadają do zera. (Zwykle można zignorować Gdx, rezystancję izolatora oddzielającego przewody.)

Ten model linii transmisyjnej nazywa się równaniami telegrafisty . Zakłada się, że linia transmisyjna jest jednolita na całej jego długości. Różne częstotliwości w tym samym przewodzie ” zobacz ” różne $ R $ i $ L $ , głównie z powodu efektu skórki ( wyższa rezystancja przy wyższych częstotliwościach) i efekt zbliżeniowy . Jest to dla nas niefortunne, ponieważ impuls spowodowany przerzuceniem przełącznika jest w rzeczywistości falą prostokątną, która teoretycznie ma składniki na nieskończenie wysokich częstotliwościach.

W artykule Wikipedii dotyczącym linii transmisyjnej wyprowadzono to równanie dla przesunięcia fazowego sygnału prądu przemiennego w linii przesyłowej o długości $ x $ . (Wskazują, że postęp w fazie o $ – \ omega \ delta $ jest równoważny z opóźnieniem czasowym o $ \ delta $ .)

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

Efekt końcowy jest taki, że sygnały elektryczne propagują się z pewnym ułamkiem prędkości światła . Ma to sens, ponieważ siła elektromagnetyczna jest przenoszona przez (wirtualne) fotony ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Więcej informacji:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ pokazuje praktyczne i idealne ( bezstratny) i pokazuje formułę $ t_ {PD} = \ sqrt {L_0 \ cdot C_0} $ propagation-delay i $ \ Displaystyle Z_ {0} = {\ sqrt {\ Frac {L_0} {C_0}}} $ impedancja charakterystyczna i trochę rzeczy o geometrii śladów na płytce drukowanej.

Nie miałem wiele szczęścia ze znalezieniem liczb opisujących charakterystykę linii transmisyjnych w okablowaniu domowym. „Nie nadają się do wysyłania sygnałów o wysokiej częstotliwości, więc nie jest to coś, co większość ludzi chce mierzyć.

Okablowanie Ethernet (takie jak Cat5e) skręca razem przewody i ma ścisłe ograniczenia dotyczące jednolitości skrętów za metr (i inne właściwości). Jest to ważne przy przenoszeniu sygnałów o wysokiej częstotliwości, ponieważ zmiany w okablowaniu zmieniają impedancję charakterystyczną (dla sygnałów AC) i powodują odbicia sygnału. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). Kable zasilające AC zwykle w ogóle nie skręcają przewodów, więc sygnały o wysokiej częstotliwości tracą energię na emisje RF.

Nawet jeśli wyłącznik zasilania jest tylko w jednym przewodniku, przerzucenie przełącznika powoduje różnicę napięcia na jednym końcu linii transmisyjnej. Chcemy wiedzieć, kiedy (iw jakim kształcie) ten impuls pojawi się na drugim koniec.

Zasilanie w domu to 50 lub 60 Hz AC, więc jeśli zdarzy ci się wyrzucić przełącznik, gdy różnica napięcia wynosi (prawie) zero, Twój licznik wygrywa ” t mierzyć cokolwiek dla opóźnienia transmisji + ułamek sekundy, aby faza zmieniła się poza próg czułości miernika. Jest to łatwiejsze, jeśli założysz, że tak się nie dzieje i zamodelujesz to jako skok prądu stałego (ponieważ faza zasilania zmienia się dużo wolniej niż opóźnienie linii przesyłowej na 10 m przewodu).

Zatem charakterystyka linii transmisyjnej przewodu jest tym, co określa opóźnienie czasowe od przełączenia przełącznika zasilania na zasilanie ” pojawiające się ” na drugim końcu przewodu.

Jeśli ktoś chce spierać się o względność / równoczesność, zrób eksperyment z lustrem i linią transmisyjną, która fizycznie umieszcza detektor obok przełącznik, ale nadal elektrycznie oddzielony 10-metrowym okablowaniem.

Komentarze

• Wbijanie się z wymiany stosów elektroniki: Głosuję za tym, ponieważ ' to jedyna osoba wymieniająca linie przesyłowe, które są prawdziwą odpowiedzią na to pytanie … więc tutaj ' przybijamy piątkę.

C onsider przez analogię, woda w rurze z zaworem na jednym końcu.

Jeśli rura jest pusta, po otwarciu zaworu cząsteczki wody muszą pokonać całą długość rury, zanim zobaczysz, jak woda wypływa na drugim końcu. Czas, jaki zajmuje, reprezentuje prędkość wody w rurze.

Z drugiej strony, jeśli rura jest już napełniona wodą, jak tylko otworzysz zawór, woda zacznie wypływać z daleka koniec. Ten znacznie krótszy okres reprezentuje prędkość, z jaką informacja (otwarcie zaworu) przemieszczała się po rurze – zasadniczo prędkość dźwięku w wodzie.

Wyrównując analogię między wodą a elektrycznością:

Pierwszy przypadek odpowiada prędkości samych elektronów (lub dryfowi elektronów); drugi przypadek odpowiada propagacji fal elektromagnetycznych.

W przypadku obwodu elektrycznego właściwą analogią do wody byłaby rura już wypełniona wodą. Elektrony przenoszące energię wzdłuż drutu są zawsze obecne; przełącznik po prostu włącza lub eliminuje możliwość ich popchnięcia. Pomiar „prędkości” prądu elektrycznego przez czas potrzebny do zamknięcia przełącznika, aby zadziałał gdzieś wzdłuż przewodnika, polega na pomiarze prędkości fal elektromagnetycznych w ośrodku (przewodniku elektrycznym), która jest porównywalna z (prawie) prędkością światła w próżni.

Wszystko zależy od warunków medium, przez które przechodzi światło, oraz od rodzaju przepływa prąd elektryczny. Jeśli jednak można pominąć oba, prędkość światła będzie większa. Powodem tego jest fakt, że światło jest falą elektromagnetyczną, co oznacza, że nie ma masy, ponieważ fotony nie mają masy. Z drugiej strony elektryczność to przepływ elektronów, które mają masę i chociaż niewielka, wpłynie ogólną prędkość. Jednak w tym przypadku mówimy o prędkości elektronów. Jeśli mówimy o prędkości przepływająca energia zawsze będzie równa prędkości światła, niezależnie od tego, co . Zwykle jednak prędkość jest obliczana na podstawie energii przechodzącej przewód, który jest wtedy wolniejszy niż światło. Tutaj pokazano jaśniejsze wyjaśnienie:

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

Mam nadzieję, że to pomoże!

Komentarze

• My ' nie mówię o prędkości elektronów, ale o prędkości sygnału. Same elektrony są bardzo wolne. Patrz en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity i en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity
• Szybkość sygnał będzie wolniejszy niż prędkość światła, ale prędkość energii będzie taka sama.

W ścisłym sensie nie ma $ „$ prędkości prądu $” $. Należy je rozróżnić między ładunkiem i polem elektromagnetycznym. Prędkość elektryczności może być albo prędkością dryfu elektronów (wynoszącą kilka mm / s), albo prędkością pola elektromagnetycznego otaczającego kabel, bliską c. Energia elektryczna jest przesyłana wyłącznie przez pole EM, jak wskazuje wektor Poyntinga $ S = E \ razy H $. (E i S wynoszą zero w idealnym przewodniku). W przypadku prądu stałego zasada jest prosta: a) W przewodniku odbywa się przesyłanie ładunku (prądu), ale nie ma transmisji mocy. b) W izolatorze jest przesyłanie mocy, ale nie ma transmisji ładunku.