Ljushastighet kontra elhastighet

Elhastigheten är begreppsmässigt den elektromagnetiska hastigheten signal i tråden, vilket är något som liknar begreppet ljusets hastighet i ett transparent medium. Så det är normalt lägre, men inte för mycket lägre än ljusets hastighet i vakuumet. Hastigheten beror också på kabelkonstruktionen. Kabelgeometrin och isoleringen minskar båda hastigheten. Bra kablar uppnår 80% av ljusets hastighet; utmärkta kablar uppnår 90%. Hastigheten beror inte direkt på spänningen eller motståndet. Olika frekvenser har dock olika dämpning. I ditt exempel representerar själva ögonblicket en högfrekvensfront som kommer att dämpas. Medan ingången skulle öka spänningen mycket snabbt, vid utgången skulle den öka gradvis, som med en fördröjning. Det är egentligen inte en fördröjning i sig, för den initiala lågenivåsignalen skulle komma dit nästan med ljusets hastighet, men dess amplitud skulle bara gradvis öka och nå full spänning med en avsevärd fördröjning som skulle bero på kabel- och kretsimpedansen (mestadels på kabelinduktansen). Om du använder en höghastighets koaxialkabel (som en 3GHz satellit-TV-kabel) istället för en kabel, skulle förseningen vara mycket kortare (80-90% av ljusets hastighet till full spänning). Hoppas det hjälper.

Kommentarer

• Ljus i en glasfiber är också långsammare än ljusets vakuumhastighet.
• I ’ jag är nyfiken på ” utmärkt coax ” så jag ’ har frågat Finns det typer av standard koaxialkabel med en utbredningshastighet på 0,9c? Vad skulle applikationen vara? .
• @uhoh: Detta dokument visar standardhastigheter upp till 91% cdn.shopify.com/s/ files / 1/0986/4308 / files / Cable-Delay-FAQ.pdf – Det finns också metoder för att ytterligare öka dem när jag ’ har testats framgångsrikt (du kan ändra den dielektriska effekten genom att applicera en högspänningsförspänning). Behovet av höga hastigheter är högt inte för hastighetsvärdet i sig, utan för att kablar med högre hastigheter också har högre bandbredd och lägre jitter som är kritisk i telekom- och digitala ljudapplikationer.
• Det ’ en avvägning mellan kostnad, funktionalitet och prestanda. Om du vill ha ett koax med utbredningshastighet nära c, måste dielektriket vara mestadels luft. Luft håller emellertid inte mittledaren i mitten, vilket är mycket viktigt i ett koax.Så vissa dielektriska stöd krävs. Dielektriket kan bland annat vara PTFE-skum.
• Men nästan ingen är intresserad av snabbast möjliga utbredningshastighet i ett koax. Anledningen till att ” mestadels-luft ” dielektriker används är att de har mycket låga förluster, och detta är viktigt om den överförda effekten är enormt (så förlusterna skulle smälta dielektrikumet) eller avståndet är väldigt långt …

Beror också elhastigheten på spänningen eller ledarens motstånd?

Inte bara ledarnas motstånd utan induktansen. Och även kapacitansen till jord och / eller till den andra ledaren.

Kom ihåg att en elektrisk krets kräver en komplett slinga, till skillnad från en laser. Ledningar för att transportera el innehåller normalt två ledare (och ibland en 3: e jordledare). Detta är fallet för hushållsledningar.

A överföringsledning kan modelleras som en ” stege ” av resistiva och induktiva element med kondensatorer till den andra ledaren. (Bild från den länkade Wikipedia-artikeln). Detta är ett ” block ” av en överföringsledning. En riktig överföringsledning kan modelleras genom att upprepa detta och ta gränsen när antalet går till oändlighet medan motståndet / induktansen / kapacitansen går till noll. (Du kan vanligtvis ignorera Gdx, motståndet hos isolatorn som skiljer ledarna.)

Denna modell av en överföringslinje kallas telegrafens ekvationer . Den antar att överföringsledningen är enhetlig över dess längd. Olika frekvenser i samma tråd ” se ” olika $ R $ och $ L $ värden, främst på grund av hudeffekt ( högre motstånd vid högre frekvens) och närhetseffekt . Detta är olyckligt för oss, eftersom en impuls från att vända en omkopplare i själva verket är en fyrkantig våg, som i teorin har komponenter vid oändligt höga frekvenser.

Wikipedias överföringsledningsartikel härleder denna ekvation för fasförskjutning av en växelströmssignal i en överföringsledning med längd $ x $ . (De påpekar att ett förskott i fas med $ – \ omega \ delta $ motsvarar en tidsfördröjning med $ \ delta $ .)

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

Slutresultatet av allt detta är att elektriska signaler sprids vid en del av ljusets hastighet . Detta är vettigt, eftersom den elektromagnetiska kraften bärs av (virtuella) fotoner ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Ytterligare läsning:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ visar praktiskt kontra ideal ( lossless) och visar $ t_ {PD} = \ sqrt {L_0 \ cdot C_0} $ förökningsfördröjningsformel och $ \ displaystyle Z_ {0} = {\ sqrt {\ frac {L_0} {C_0}}} $ karakteristisk impedans och några saker om spårgeometri på ett kretskort.

Jag har inte haft mycket tur att hitta nummer för överföringslinjens egenskaper hos hushållsledningar. De är ”olämpliga för att skicka högfrekventa signaler, så det är inte något de flesta bryr sig om att mäta.

Ethernet-ledningar (som Cat5e) vrider ledarna tillsammans och har snäva begränsningar för enheternas vridningar per meter (och annat egenskaper). Detta är viktigt för att bära högfrekventa signaler, eftersom variationer i ledningarna ändrar den karakteristiska impedansen (för växelsignaler) och orsakar signalreflektioner. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). Växelströmskablar vrider vanligtvis inte ledningarna alls, så högfrekventa signaler förlorar energi till RF-utsläpp.

Även om strömbrytaren bara är i en ledare, vippning av omkopplaren tillämpar en spännings skillnad över ena änden av överföringsledningen. Vad vi vill veta är när (och i vilken form) den pulsen kommer att visas i den andra slutet.

Hushållseffekten är 50 eller 60 Hz växelström, så om du råkar kasta omkopplaren medan spänningsskillnaden är (nästan) noll, vann din mätare ” t mäta vad som helst för överföringsfördröjning + bråkdelen av en sekund för att fasen ska ändras över mätarens känslighetströskel. Det är lättare om du antar att det inte händer och bara modellerar det som en DC-spik (eftersom effektfasen ändras mycket långsammare än överföringsledningens fördröjning över 10 m tråd.)

Således är trådens överföringslinjeegenskaper det som bestämmer tidsfördröjningen från en strömbrytare som slås till ström ” visas ” längst ner i en tråd.

Om någon vill argumentera om relativitet / samtidighet, gör experimentet med en spegel och en överföringsledning som placerar detektorn fysiskt bredvid växel, men fortfarande elektriskt åtskilda av 10 meter ledningar.

Kommentarer

• Chiming in från elektronikstackexchange: Jag rekommenderar detta eftersom du ’ är den enda som nämner överföringslinjer, vilket är det verkliga svaret på frågan … så här ’ är en high five.

C på analogt sätt, vatten i ett rör, med en ventil i ena änden.

Om röret är tomt, när du öppnar ventilen, måste vattenmolekylerna röra sig hela rörets längd innan du ser något vatten dyka upp längst bort. Tiden som tas representerar hastigheten på vattnet i röret.

Å andra sidan, om röret redan är laddat med vatten, så snart du öppnar ventilen, börjar vatten rinna ut långt slutet. Denna mycket kortare tidsperiod representerar den hastighet med vilken informationen (öppning av ventilen) reste sig ner i röret – i huvudsak ljudets hastighet i vatten.

Anpassning av analogin mellan vatten och el:

Det första fallet motsvarar elektronernas hastighet (eller elektrondrift); det andra fallet motsvarar utbredningen av elektromagnetiska vågor.

I fallet med en elektrisk krets skulle den korrekta vattenanalogen vara röret som redan är fyllt med vatten. Elektronerna som bär energin längs ledningen är alltid närvarande; omkopplaren applicerar helt enkelt eller tar bort potentialen att trycka med dem. Mätning av ”hastighet” av elektricitet efter den tid det tar att stänga en omkopplare för att ha någon effekt längs ledaren är att mäta hastigheten på elektromagnetiska vågor i mediet (elektrisk ledare) som är jämförbar med (nästan) ljusets hastighet i vakuum.

Det beror allt på omständigheterna för mediet som ljuset färdas genom och typen av trådelektricitet passerar. Men om båda kan försummas blir ljusets hastighet snabbare. Anledningen till detta är att ljus är en elektromagnetisk våg, vilket betyder att den inte har någon massa, eftersom fotoner inte har massa. Å andra sidan är elektricitet ett flöde av elektroner, som har en massa, och även om det är litet kommer det att påverka den totala hastigheten. Men när vi i det här fallet talar om elektronernas hastighet. Om vi talar om hastigheten på energiflödet kommer alltid att vara lika med ljusets hastighet oavsett vad . Vanligtvis beräknas dock hastigheten för den energi som går igenom kabeln, som då är långsammare än ljusets. En tydligare förklaring visas här:

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

hoppas att det hjälper!

Kommentarer

• Vi ’ talar inte om elektronernas hastighet utan signalens hastighet. Elektronerna själva är mycket långsamma. Se sv.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity och sv.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity
• Hastigheten på signalen kommer att vara långsammare än ljusets hastighet, men energihastigheten kommer att vara densamma.

I strikt mening finns det ingen $ ”$ elhastighet $” $. Det måste skiljas mellan laddning och EM-fält. Elhastighet kan antingen vara drivhastigheten för elektroner (upp till några mm / sek,) eller hastigheten för EM-fältet som omger kabeln, nära c. Elkraft överförs uteslutande av EM-fältet enligt Poynting-vektorn $ S = E \ gånger H $. (E och S är noll inom en perfekt ledare). För DC är regeln helt enkelt: a) Inom en ledare finns laddningsöverföring (ström), men ingen kraftöverföring. b) Inom en isolator finns kraftöverföring, men ingen laddningsöverföring.