Скорость света против скорости электричества

Скорость электричества концептуально является скоростью электромагнитного сигнала в проводе, что чем-то похоже на понятие скорости света в прозрачной среде. Так что обычно она ниже, но не намного ниже скорости света в вакууме. Скорость также зависит от конструкции кабеля. Геометрия кабеля и изоляция снижают скорость. Хорошие кабели достигают 80% скорости света; отличные кабели достигают 90%. Скорость не зависит напрямую от напряжения или сопротивления. Однако разные частоты имеют разное затухание. В вашем примере сам момент включения представляет собой высокочастотный фронт, который будет затухать. Если на входе напряжение росло бы очень быстро, то на выходе оно росло бы плавно, как бы с задержкой. На самом деле это не задержка сама по себе, потому что начальный сигнал низкого уровня будет добираться почти со скоростью света, но его амплитуда будет только постепенно увеличиваться и достигать полного напряжения с существенной задержкой, которая будет зависеть от сопротивления кабеля и цепи (в основном от индуктивности кабеля). Если вы используете высокоскоростной коаксиальный кабель (например, кабель спутникового телевидения 3 ГГц) вместо провода, задержка будет намного меньше (80-90% скорости света до полного напряжения). Надеюсь это поможет. задержка была бы намного короче (80-90% скорости света до полного напряжения). Надеюсь это поможет. задержка была бы намного короче (80-90% скорости света до полного напряжения). Надеюсь это поможет.

Кроме того, зависит ли скорость электричества от приложенного напряжения или сопротивления проводника?

Не только сопротивление проводников, но и индуктивность. А также емкость относительно земли и/или другого проводника.

Помните, что электрическая цепь требует полного контура, в отличие от лазера. Электропроводка обычно включает 2 проводника (а иногда и 3-й заземляющий проводник). Это касается бытовой электропроводки.

Линия передачи может быть смоделирована как «лестница» резистивных и индуктивных элементов с конденсаторами к другому проводнику. (Изображение из связанной статьи в Википедии). Это один «блок» линии передачи. Реальную линию передачи можно смоделировать, повторив это и приняв предел, поскольку число стремится к бесконечности, а сопротивление / индуктивность / емкость стремятся к нулю. (Обычно можно игнорировать Gdx, сопротивление изолятора, разделяющего проводники.)

Эта модель линии передачи называется уравнениями телеграфа . Предполагается, что линия передачи однородна по всей длине. Разные частоты в одном и том же проводе "видят" разные$R$а также$L$значения, в основном из-за скин-эффекта (более высокое сопротивление при более высокой частоте) и эффекта близости . Для нас это печально, потому что импульс от щелчка переключателя фактически представляет собой прямоугольную волну, которая теоретически имеет компоненты на бесконечно высоких частотах.

В статье Википедии о линии передачи получено это уравнение для фазового сдвига сигнала переменного тока в линии передачи длиной$x$. (Они указывают, что продвижение по фазе на$-\omega \delta$эквивалентна временной задержке на$\delta$.)

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

Конечным результатом всего этого является то, что электрические сигналы распространяются со скоростью, составляющей долю скорости света . Это имеет смысл, потому что электромагнитная сила переносится (виртуальными) фотонами ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Дальнейшее чтение:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ показывает практическое и идеальное (без потерь) и показывает$t_{PD} = \sqrt{L_0 \cdot C_0}$формула задержки распространения и$\displaystyle Z_{0}={\sqrt {\frac {L_0}{C_0}}}$волновое сопротивление и кое-что о геометрии дорожек на печатной плате.

Мне не очень повезло найти числа для характеристик линии передачи домашней проводки. Они не подходят для передачи высокочастотных сигналов, поэтому большинство людей не утруждают себя их измерением.

Проводка Ethernet (например, Cat5e) скручивает проводники вместе и имеет жесткие ограничения на равномерность скручивания на метр (и другие характеристики). Это важно для передачи высокочастотных сигналов, поскольку изменения в проводке изменяют волновое сопротивление (для сигналов переменного тока) и вызывают отражения сигнала. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). Силовые кабели переменного тока обычно вообще не скручивают провода, поэтому высокочастотные сигналы теряют энергию из-за радиоизлучения.

Несмотря на то, что переключатель питания находится только в одном проводнике, при переключении переключателя возникает разница напряжений на одном конце линии передачи. Мы хотим знать, когда (и в какой форме) этот импульс появится на другом конце.

В бытовой электросети используется переменный ток с частотой 50 или 60 Гц, поэтому, если вам случится щелкнуть выключателем, когда разность напряжений (почти) равна нулю, ваш измеритель ничего не измерит из-за задержки передачи + доли секунды, в течение которой фаза изменится после порог чувствительности измерителя. Будет проще, если вы предположите, что этого не происходит, и просто смоделируете это как всплеск постоянного тока (поскольку фаза питания изменяется намного медленнее, чем задержка линии передачи на 10 м провода).

Таким образом, характеристики линии передачи определяют временную задержку от переключения выключателя питания до «появления» питания на дальнем конце провода.

Если кто-то хочет поспорить об относительности/одновременности, то проведите эксперимент с зеркалом и линией передачи, располагающей детектор физически рядом с выключателем, но все же электрически разделенной 10-метровой проводкой.

Рассмотрим по аналогии воду в трубе с вентилем на одном конце.

Если труба пуста, когда вы открываете вентиль, молекулы воды должны пройти по всей длине трубы, прежде чем вы увидите, что вода выходит на дальнем конце. Затраченное время представляет собой скорость воды в трубе.

С другой стороны, если труба уже заправлена ​​водой, как только вы открываете вентиль, вода начинает вытекать из дальнего конца. Этот гораздо более короткий период времени представляет собой скорость, с которой информация (открытие клапана) перемещалась по трубе — по сути, скорость звука в воде.

Выстраивая аналогию между водой и электричеством:

Первый случай соответствует скорости самих электронов (или дрейфу электронов); второй случай соответствует распространению электромагнитных волн.

В случае электрической цепи правильной аналогией с водой будет труба, уже заполненная водой. Электроны, переносящие энергию по проводу, всегда присутствуют; переключатель просто применяет или устраняет возможность подтолкнуть их вперед. Измерение «скорости» электричества по времени, необходимому для того, чтобы замыкание выключателя подействовало где-то вдоль проводника, является измерением скорости электромагнитных волн в среде (электрическом проводнике), которая сравнима (почти) со скоростью света. в вакууме.

Все будет зависеть от условий среды, через которую проходит свет, и от типа провода, по которому проходит электричество. Однако, если обеими можно пренебречь, скорость света будет выше. Причина этого в том, что свет — это электромагнитная волна, то есть у него нет массы, поскольку у фотонов нет массы. С другой стороны, электричество — это поток электронов, у которых есть масса, и хоть и немного, но это повлияет на общую скорость. Однако когда в данном случае речь идет о скорости электронов. Если говорить о скорости течения энергии, то она всегда будет равна скорости света, несмотря ни на что . Однако обычно скорость рассчитывается по энергии, проходящей по проводу, которая в этом случае медленнее, чем скорость света. Более четкое объяснение показано здесь:

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

надеюсь это поможет!

В строгом смысле нет$"$скорость электричества$"$. Следует различать заряд и ЭМ-поле. Скоростью электричества может быть либо дрейфовая скорость электронов (составляющая несколько мм/сек), либо скорость электромагнитного поля, окружающего кабель, близкая к c. Электроэнергия передается исключительно электромагнитным полем, на что указывает вектор Пойнтинга.$S = E \times H$. (E и S равны нулю в идеальном проводнике). Для постоянного тока правило простое: а) Внутри проводника есть передача заряда (тока), но нет передачи энергии. б) Внутри изолятора есть передача энергии, но нет передачи заряда.