Velocidad de la luz frente a la velocidad de la electricidad

La velocidad de la electricidad es conceptualmente la velocidad de la electromagnética señal en el cable, que es algo similar al concepto de la velocidad de la luz en un medio transparente. Por lo tanto, normalmente es menor, pero no mucho menor que la velocidad de la luz en el vacío. La velocidad también depende de la construcción del cable. La geometría del cable y el aislamiento reducen la velocidad. Los buenos cables alcanzan el 80% de la velocidad de la luz; excelentes cables alcanzan el 90%. La velocidad no depende directamente del voltaje o la resistencia. Sin embargo, diferentes frecuencias tienen diferente atenuación. En su ejemplo, el mismo momento de encendido representa un frente de alta frecuencia que se atenuará. Mientras que en la entrada el voltaje aumentaría muy rápido, en la salida aumentaría gradualmente, como con un retraso. No es realmente un retraso per se, porque la señal inicial de bajo nivel llegaría casi con la velocidad de la luz, pero su amplitud solo aumentaría gradualmente y alcanzaría el voltaje completo con un retraso sustancial que dependería de la impedancia del cable y del circuito. (principalmente en la inductancia del cable). Si usa un cable coaxial de alta velocidad (como un cable de TV satelital de 3GHz) en lugar de un cable, la demora sería mucho más corta (80-90% de la velocidad de la luz al voltaje total). Espero que esto ayude.

Comentarios

• La luz en una fibra de vidrio también es más lenta que la velocidad de vacío de la luz.
• I ‘ Siento curiosidad por el » excelente coaxial «, así que ‘ he preguntado ¿Existen tipos de cable coaxial estándar con una velocidad de propagación de 0.9c? ¿Cuál sería la aplicación? .
• @uhoh: este documento muestra velocidades estándar de hasta 91% cdn.shopify.com/s/ files / 1/0986/4308 / files / Cable-Delay-FAQ.pdf – También hay métodos para aumentarlos aún más, ya que ‘ he probado con éxito (puede cambiar el efecto dieléctrico aplicando una polarización de alto voltaje). La necesidad de velocidades altas es alta no por el valor de velocidad en sí, sino porque los cables con velocidades más altas también tienen un ancho de banda más alto y una fluctuación más baja que es crítica en aplicaciones de audio digital y telecomunicaciones.
• It ‘ es un compromiso entre costo, practicidad y rendimiento. Si desea un cable coaxial con una velocidad de propagación cercana a c, entonces el dieléctrico tendrá que ser principalmente aire. Sin embargo, el aire no retiene el conductor central en el centro, lo cual es de gran importancia en un cable coaxial.Entonces se requieren algunos soportes dieléctricos. El dieléctrico puede ser espuma de PTFE, por ejemplo, entre otros.
• Sin embargo, casi nadie está interesado en la velocidad de propagación más rápida posible en un cable coaxial. La razón por la que se utilizan dieléctricos » most-air » es que tienen pérdidas muy bajas, y esto es importante si la potencia que se transmite es enorme (por lo que las pérdidas derretirían el dieléctrico) o la distancia es muy larga …

Además, ¿la velocidad de la electricidad depende del voltaje aplicado o de la resistencia del conductor?

No solo la resistencia de los conductores, sino la inductancia. Y también la capacitancia a tierra y / o al otro conductor.

Recuerde que un circuito eléctrico requiere un bucle completo, a diferencia de un láser. El cableado para transportar electricidad normalmente incluye 2 conductores (y a veces un tercer conductor de tierra). Este es el caso del cableado doméstico.

Una línea de transmisión se puede modelar como una » escalera » de elementos resistivos e inductivos con capacitores al otro conductor. (Imagen del artículo de wikipedia vinculado). Este es un » bloque » de una línea de transmisión. Se puede modelar una línea de transmisión real repitiendo esto y tomando el límite a medida que el número llega al infinito mientras que la resistencia / inductancia / capacitancia llega a cero. (Por lo general, puede ignorar Gdx, la resistencia del aislante que separa los conductores).

Este modelo de una línea de transmisión se llama ecuaciones del telegrafista . Se asume que la línea de transmisión es uniforme en su longitud. Diferentes frecuencias en el mismo cable » ver » diferentes $ R $ y $ L $ valores, principalmente debido al efecto de piel ( mayor resistencia a una frecuencia más alta) y efecto de proximidad . Esto es desafortunado para nosotros, porque un impulso de accionar un interruptor es efectivamente una onda cuadrada, que en teoría tiene componentes a frecuencias infinitamente altas.

El artículo de línea de transmisión de Wikipedia deriva esta ecuación para el cambio de fase de una señal de CA en una línea de transmisión de longitud $ x $ . (Señalan que un avance de fase de $ – \ omega \ delta $ es equivalente a un retraso de tiempo de $ \ delta $ .)

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

El resultado final de todo esto es que las señales eléctricas se propagan a una fracción de la velocidad de la luz . Esto tiene sentido, porque la fuerza electromagnética es transportada por fotones (virtuales) ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Para leer más:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ muestra lo práctico frente a lo ideal ( lossless) y muestra la $ t_ {PD} = \ sqrt {L_0 \ cdot C_0} $ fórmula de retardo de propagación y $ \ displaystyle Z_ {0} = {\ sqrt {\ frac {L_0} {C_0}}} $ impedancia característica y algunas cosas sobre la geometría de las trazas en una placa de circuito impreso.

No tuve mucha suerte para encontrar números para las características de la línea de transmisión del cableado doméstico. No son aptos para enviar señales de alta frecuencia, por lo que no es algo que la mayoría de la gente se moleste en medir.

El cableado Ethernet (como Cat5e) retuerce los conductores entre sí y tiene estrictas restricciones en la uniformidad de los giros. por metro (y otros características). Esto es importante para transportar señales de alta frecuencia, porque las variaciones en el cableado cambian la impedancia característica (para señales de CA) y provocan reflejos de señal. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). Los cables de alimentación de CA generalmente no retuercen los cables en absoluto, por lo que las señales de alta frecuencia perderán energía a causa de las emisiones de RF.

Aunque el interruptor de encendido está solo en un conductor, al mover el interruptor se aplica una diferencia de voltaje en un extremo de la línea de transmisión. Lo que queremos saber es cuándo (y en qué forma) aparecerá ese pulso en el otro fin.

La energía del hogar es de 50 o 60 Hz CA, por lo que si acciona el interruptor mientras la diferencia de voltaje es (casi) cero, su medidor ganó » mida cualquier cosa para el retardo de transmisión + la fracción de segundo para que la fase cambie más allá del umbral de sensibilidad del medidor. Es más fácil si asume que eso no sucede y simplemente lo modela como un pico de CC (ya que la fase de potencia cambia mucho más lento que el retardo de la línea de transmisión sobre 10 m de cable).

Por lo tanto, las características de la línea de transmisión del cable son las que determinan el tiempo de demora desde que un interruptor de encendido se enciende » que aparece » en el extremo más alejado de un cable.

Si alguien quiere discutir sobre relatividad / simultaneidad, entonces haga el experimento con un espejo y una línea de transmisión que coloque el detector físicamente al lado del interruptor, pero aún eléctricamente separado por 10 metros de cableado.

Comentarios

• Entrando desde el intercambio de pila de electrónica: Doy mi voto a favor porque ‘ es el único que menciona líneas de transmisión, que son la verdadera respuesta a la pregunta … así que aquí ‘ choca esos cinco.

C Considere por analogía, agua en una tubería, con una válvula en un extremo.

Si la tubería está vacía, cuando abres la válvula, las moléculas de agua tienen que viajar a lo largo de toda la tubería antes de que veas salir agua por el otro extremo. El tiempo que toma representa la velocidad del agua en la tubería.

Por otro lado, si la tubería ya está cargada de agua, tan pronto como se abre la válvula, el agua comienza a fluir fuera del fin. Este período de tiempo mucho más corto representa la velocidad a la que la información (apertura de la válvula) viajó por la tubería, esencialmente la velocidad del sonido en el agua.

Alineando la analogía entre agua y electricidad:

El primer caso corresponde a la velocidad de los propios electrones (o deriva de electrones); el segundo caso corresponde a la propagación de ondas electromagnéticas.

En el caso de un circuito eléctrico, la analogía correcta del agua sería la tubería ya llena de agua. Los electrones que transportan la energía a lo largo del cable están siempre presentes; el interruptor simplemente aplica o elimina el potencial para impulsarlos. Medir la «velocidad» de la electricidad por el tiempo que tarda el cierre de un interruptor en producir un efecto en algún lugar a lo largo del conductor es medir la velocidad de las ondas electromagnéticas en el medio (conductor eléctrico) que es comparable a (casi) la velocidad de la luz en el vacío.

Dependería todo de las circunstancias del medio por el que viaja la luz y del tipo de alambre de electricidad está pasando. Sin embargo, si ambos pueden descuidarse, la velocidad de la luz será más rápida. La razón de esto es que la luz es una onda electromagnética, es decir, no tiene masa, ya que los fotones no tienen masa. Por otro lado, la electricidad es un flujo de electrones, que tienen una masa, y aunque poca, afectará la velocidad general. Sin embargo cuando en este caso, estamos hablando de la velocidad de los electrones. Si hablamos de la velocidad de la que fluye la energía siempre será igual a la velocidad de la luz sin importar qué . Sin embargo, por lo general, la velocidad se calcula a partir de la energía que atraviesa el cable, que es más lento que el de la luz. Aquí se muestra una explicación más clara:

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

¡Espero que esto ayude!

Comentarios

• Nosotros ‘ no estamos hablando de la velocidad de los electrones, sino de la velocidad de la señal. Los electrones en sí son muy lentos. Ver en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity y en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity
• La velocidad de la señal será más lenta que la velocidad de la luz, pero la velocidad de la energía será la misma.

En sentido estricto, no hay $ «$ velocidad de la electricidad $» $. Debe distinguirse entre carga y campo EM. La velocidad de la electricidad puede ser la velocidad de deriva de los electrones (que asciende a unos pocos mm / seg) o la velocidad del campo EM que rodea el cable, cerca de c. La energía eléctrica es transmitida exclusivamente por el campo EM como lo indica el vector de Poynting $ S = E \ times H $. (E y S son cero dentro de un conductor perfecto). Para CC, la regla simplemente es: a) Dentro de un conductor, hay transmisión de carga (corriente), pero no transmisión de potencia. b) Dentro de un aislador, hay transmisión de potencia, pero no transmisión de carga.