Velocidade da luz x velocidade da eletricidade

A velocidade da eletricidade é conceitualmente a velocidade do eletromagnético sinal no fio, que é um pouco semelhante ao conceito da velocidade da luz em um meio transparente. Portanto, é normalmente menor, mas não muito menor do que a velocidade da luz no vácuo. A velocidade também depende da construção do cabo. A geometria do cabo e o isolamento reduzem a velocidade. Cabos bons atingem 80% da velocidade da luz; cabos excelentes alcançam 90%. A velocidade não depende diretamente da tensão ou resistência. No entanto, frequências diferentes têm atenuação diferente. No seu exemplo, o próprio momento de ligar representa uma frente de alta frequência que será atenuada. Enquanto na entrada a tensão aumentaria muito rápido, na saída aumentaria gradualmente, como se com um atraso. Não é realmente um atraso per se, porque o sinal de baixo nível inicial chegaria lá quase com a velocidade da luz, mas sua amplitude só aumentaria gradualmente e atingiria a tensão total com um atraso substancial que dependeria do cabo e da impedância do circuito (principalmente na indutância do cabo). Se você usar um cabo coaxial de alta velocidade (como um cabo de TV via satélite 3GHz) em vez de um fio, o atraso seria muito menor (80-90% da velocidade da luz para a voltagem total). Espero que isso ajude.

Comentários

• A luz em uma fibra de vidro também é mais lenta do que a velocidade da luz no vácuo.
• I ‘ estou curioso sobre o ” coaxial excelente ” então ‘ ve perguntado Existem tipos de cabo coaxial padrão com uma velocidade de propagação de 0,9 c? Qual seria a aplicação? .
• @uhoh: Este documento mostra velocidades padrão de até 91% cdn.shopify.com/s/ files / 1/0986/4308 / files / Cable-Delay-FAQ.pdf – Também existem métodos para aumentá-los ainda mais, uma vez que ‘ testei com sucesso (você pode alterar o efeito dielétrico aplicando uma polarização de alta tensão). A necessidade de altas velocidades é alta não para o valor da velocidade em si, mas porque os cabos com velocidades mais altas também têm uma largura de banda maior e menor jitter, o que é crítico em aplicações de telecomunicações e áudio digital.
• It ‘ uma compensação entre custo, praticidade e desempenho. Se você quiser um cabo coaxial com velocidade de propagação próxima de c, o dielétrico terá que ser principalmente de ar. No entanto, o ar não mantém o condutor central no centro, o que é de grande importância em um cabo coaxial.Portanto, alguns suportes dielétricos são necessários. O dielétrico pode ser espuma de PTFE, por exemplo, entre outros.
• No entanto, quase ninguém está interessado na velocidade de propagação mais rápida possível em um cabo coaxial. A razão pela qual os dielétricos ” principalmente de ar ” são usados é que eles têm perdas muito baixas, e isso é importante se a energia transmitida for enorme (então as perdas derreteriam o dielétrico) ou a distância é muito longa …

Além disso, a velocidade da eletricidade depende da tensão aplicada ou da resistência do condutor?

Não apenas a resistência dos condutores, mas a indutância. E também a capacitância para o aterramento e / ou para o outro condutor.

Lembre-se de que um circuito elétrico requer um loop completo, ao contrário de um laser. A fiação para transportar eletricidade normalmente inclui 2 condutores (e às vezes um terceiro condutor de aterramento). Esse é o caso da fiação doméstica.

Uma linha de transmissão pode ser modelado como uma ” escada ” de elementos resistivos e indutivos com capacitores para o outro condutor. (Imagem do artigo da Wikipédia vinculado). Este é um ” bloco ” de uma linha de transmissão. Uma linha de transmissão real pode ser modelada repetindo isso e considerando o limite conforme o número vai para o infinito, enquanto a resistência / indutância / capacitância vai para zero. (Você geralmente pode ignorar Gdx, a resistência do isolador que separa os condutores.)

Este modelo de uma linha de transmissão é chamado de equações do telegrafista . Ele assume que a linha de transmissão é uniforme ao longo de seu comprimento. Freqüências diferentes no mesmo fio ” veja ” diferentes $ R $ e $ L $ valores, principalmente devido ao efeito de pele ( resistência mais alta em frequência mais alta) e efeito de proximidade . Isso é lamentável para nós, porque um impulso de virar uma chave é efetivamente uma onda quadrada, que em teoria tem componentes em frequências infinitamente altas.

O artigo sobre linha de transmissão da Wikipedia deriva esta equação para a mudança de fase de um sinal AC em uma linha de transmissão de comprimento $ x $ . (Eles apontam que um avanço na fase de $ – \ omega \ delta $ é equivalente a um atraso de $ \ delta $ .)

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

O resultado final de tudo isso é que sinais elétricos se propagam em alguma fração da velocidade da luz . Isso faz sentido, porque a força eletromagnética é transportada por fótons (virtuais) ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Leitura adicional:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ mostra prático vs. ideal ( sem perdas) e mostra a fórmula de atraso de propagação $ t_ {PD} = \ sqrt {L_0 \ cdot C_0} $ e $ \ displaystyle Z_ {0} = {\ sqrt {\ frac {L_0} {C_0}}} $ impedância característica e algumas coisas sobre geometria de traços em uma placa de circuito impresso.

Não tive muita sorte em encontrar números para as características da linha de transmissão da fiação doméstica. Eles “não são adequados para enviar sinais de alta frequência, portanto, não é algo que a maioria das pessoas se preocupe em medir.

A fiação Ethernet (como Cat5e) torce os condutores e tem restrições rígidas quanto à uniformidade das torções por metro (e outros características). Isso é importante para transportar sinais de alta frequência, porque as variações na fiação mudam a impedância característica (para sinais CA) e causam reflexos no sinal. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). Os cabos de alimentação CA geralmente não torcem os fios, então os sinais de alta frequência perderão energia para as emissões de RF.

Mesmo que o interruptor de alimentação esteja em apenas um condutor, virar a chave aplica uma diferença de tensão em uma extremidade da linha de transmissão. O que queremos saber é quando (e em que forma) esse pulso aparecerá na outra fim.

A alimentação doméstica é de 50 ou 60 Hz CA, portanto, se você acertar o interruptor enquanto a diferença de tensão é (quase) zero, seu medidor vence ” t medir qualquer coisa para o atraso de transmissão + a fração de segundo para a fase mudar além do limite de sensibilidade do medidor. É mais fácil se você presumir que isso não acontece e apenas modelá-lo como um pico DC (uma vez que a fase de alimentação muda muito mais lentamente do que o atraso da linha de transmissão em 10m de fio.)

Assim, as características da linha de transmissão do fio são o que determina o atraso de um interruptor de alimentação sendo colocado na alimentação ” aparecendo ” na extremidade de um fio.

Se alguém quiser discutir sobre relatividade / simultaneidade, faça o experimento com um espelho e uma linha de transmissão que coloque o detector fisicamente próximo ao switch, mas ainda eletricamente separados por 10 metros de fiação.

Comentários

• Chiming in electronics stackexchange: Eu votei a favor porque você ‘ é o único que menciona as linhas de transmissão, que são a verdadeira resposta à pergunta … então aqui ‘ sa mais cinco.

C onsider, por analogia, água em um cano, com uma válvula em uma extremidade.

Se o tubo estiver vazio, quando você abre a válvula, as moléculas de água têm que percorrer todo o comprimento do tubo antes de você ver qualquer água emergir na extremidade oposta. O tempo gasto representa a velocidade da água no cano.

Por outro lado, se o cano já estiver carregado com água, assim que você abrir a válvula, a água começa a fluir de longe fim. Este período de tempo muito mais curto representa a velocidade com que a informação (abertura da válvula) viajou pelo cano – essencialmente a velocidade do som na água.

Alinhando a analogia entre água e eletricidade:

O primeiro caso corresponde à velocidade dos próprios elétrons (ou deriva do elétron); o segundo caso corresponde à propagação de ondas eletromagnéticas.

No caso de um circuito elétrico, a analogia correta da água seria o cano já cheio de água. Os elétrons que transportam a energia ao longo do fio estão sempre presentes; a mudança simplesmente aplica ou remove o potencial de empurrá-los. Medir a “velocidade” da eletricidade pelo tempo que leva para o fechamento de uma chave ter um efeito em algum lugar ao longo do condutor é medir a velocidade das ondas eletromagnéticas no meio (condutor elétrico), que é comparável à (quase) velocidade da luz no vácuo.

Dependeria tudo das circunstâncias do meio pelo qual a luz está viajando e do tipo de fio de eletricidade está passando. No entanto, se ambos puderem ser negligenciados, a velocidade da luz será mais rápida. A razão para isso é que a luz é uma onda eletromagnética, ou seja, não tem massa, já que os fótons não têm massa. Por outro lado, a eletricidade é um fluxo de elétrons, que têm massa e, embora seja pequena, afetará a velocidade geral. No entanto quando neste caso, estamos falando sobre a velocidade dos elétrons. Se estivermos falando da velocidade de a energia fluindo sempre será igual à velocidade da luz, não importa qual . Normalmente, porém, a velocidade é calculada da energia que passa o fio, que é mais lento do que o da luz. Uma explicação mais clara é mostrada aqui:

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

Espero que isso ajude!

Comentários

• Nós ‘ não estamos falando sobre a velocidade dos elétrons, mas sobre a velocidade do sinal. Os próprios elétrons são muito lentos. Consulte en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity e en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity
• A velocidade de O sinal será mais lento que a velocidade da luz, mas a velocidade da energia será a mesma.

Em sentido estrito, não existe $ “$ velocidade da eletricidade $” $. Deve ser distinguido entre carga e campo EM. A velocidade da eletricidade pode ser a velocidade de deriva dos elétrons (totalizando alguns mm / s) ou a velocidade do campo EM em torno do cabo, perto de c. A energia elétrica é transmitida exclusivamente pelo campo EM conforme indicado pelo vetor de Poynting $ S = E \ times H $. (E e S são zero dentro de um condutor perfeito). Para DC, a regra é simplesmente: a) Dentro de um condutor, há transmissão de carga (corrente), mas não transmissão de potência. b) Dentro de um isolador, há transmissão de energia, mas nenhuma transmissão de carga.