Включение лампочки. Начальный ЭМ/электронный импульс/распространение волны [закрыто]

TLDR
При включении электрического устройства (например, лампочки или обогревателя) возникает начальная волна (импульс), распространяющаяся с очень высокой скоростью (близкой к скорости света) и «несущая информацию» о том, что устройство было включено. . Какой тип волны : 1) ЭМ волна, бегущая в свободном пространстве по контуру или 2) материя («звуковая») волна электронов в «электронном газе» внутри проводников? Или оба типа волн (волны материи и поля). Каков механизм отражения волны до установления равновесного тока (значения, заданного законом Ома)?

Полный вопрос
Допустим, имеется
1) источник постоянного тока,
2) переключатель,
3) резистор,
4) два провода относительно низкого сопротивления (по сравнению с резистором), соединяющие источник и резистор.

Перед замыканием ключа на концах ключа будет накапливаться заряд. Когда два конца переключателя находятся достаточно близко, произойдет дуговой разряд (включение цепи), за которым последует физический контакт клемм переключателя (электрический контакт). Назовем это Моментом 1 Включение .

введите описание изображения здесь

Во время разряда будет ускоренный поток электронов, вызывающий ЭМ-импульс, распространяющийся в основном по проводам ; скорее всего в обе стороны (на 100% не уверен), то есть один к аккумулятору а другой к резистору.

После этого эти два импульса будут многократно отражаться от источника питания и резистора до тех пор, пока
1) энергия импульсов не преобразуется в тепловую энергию резистора и проводов и
2) не установится равновесие (Момент 2 Равновесие) .

введите описание изображения здесь

Что касается равновесия, стационарное ЭМ поле и поток энергии очевидны (см. рисунок выше) ( {1} , {2} , {3} ). Существуют статические электрические и магнитные поля с вектором Пойнтинга С → "=" Е → × Б → линии, идущие от источника питания к резистору и показывающие направление передачи энергии от источника к резистору (потребителю энергии).

Четыре вопроса касаются физики перехода от Момента 1 Включения к Моменту 2 Равновесия :

1) Сколько раз первоначальный импульс отражается вперед и назад, прежде чем будет достигнуто равновесие ?
Очевидно, ответ зависит от того, как фиксируется равновесие Момента 2: скажем, ток внутри провода составляет 90% от равновесного значения ( 90 % ⋅ В р ).

2) Какие физические процессы стоят за этим «отражением» (опишите механизм «отражения»)?

3) Внутри какой среды (свободного пространства или проводов) распространяется импульс? Его траектория.

Я почти уверен (но не на 100%), что распространение импульса происходит в свободном пространстве вокруг элементов схемы , а не внутри проводов, резистора или источника питания. Пожалуйста, подтвердите или опровергните.

4) Что происходит внутри цепи после включения ?
А именно: существуют ли внутри проводника какие-то «электронные» (материя) или ЭМ (полевые) волны, несущие энергию или «информацию» о том, что цепь была включена?
Вопрос о переходных процессах между моментами 1 и 2.
Если да, то какова скорость распространения этих волн? Это волна внутри «электронного газа», похожая на звуковую волну? Если да, то какие физические процессы стоят за переносом энергии внутри такого электронного «газа»?
Или, если это распространение электромагнитных волн внутри проводника, какова скорость распространения? Должна ли такая волна сразу поглощаться в проводниках (учитывая обилие свободных электронов внутри)?

Имейте в виду, что фазовая скорость света внутри меди составляет порядка нескольких сотен метров в секунду.

PS: Так как вопросов много, частичные ответы приветствуются .
PPS: Это не очень продуманная схема. Так что отражения случаются.

Есть аналогичный вопрос , но он касается равновесного состояния, а не переходного.
Это много вопросов... но на то, что происходит в деталях, можно ответить только с помощью полной симуляции Максвелла, поскольку это полностью зависит от геометрии. В общем, хорошо спроектированная электронная схема, в которой это имеет значение, не будет содержать такую ​​открытую геометрию, но будет использовать структуры линий передачи с четко определенными импедансами, и в этом случае вообще не будет никаких отражений.
@CuriousOne 10x. Я обновил вопрос.
Чтобы ответить на ваш первый вопрос, обратите внимание, что волна электронов материи обязательно будет индуцировать волны E&M, поэтому они не так различны. Тогда у меня возникает соблазн сказать, что на самом деле и то, и другое имеет место и напрямую связано друг с другом. Однако, если вы выполняете схему QED, люди обычно говорят об этих вещах как о фотонах или волнах E&M.
@aquirdturtle 10x за отличный комментарий. У меня похожее ощущение, что материя и электромагнитные волны связаны друг с другом. По крайней мере, по уравнениям Максвелла. Ни токов, ни зарядов, ни электромагнитного поля (кроме плоских волн). Чего я не могу понять, так это почему волна материи («электронов») движется со скоростью света (а не со скоростью «звука электронов»).

Ответы (1)

ЭМ волны распространяются вдоль и по проводу (не полностью в свободном пространстве) по контуру. Когда электромагнитная волна распространяется, она также заставляет двигаться электроны в проводе. Итак, оба движутся одновременно.

Волна материи не движется в точке с .

В проводе нет единой волны материи. Есть миллионы электронов, каждый из которых движется почти 10 5 м / с . Они всегда в движении.

Если учесть скорость дрейфа, то   10 − 4 м / с .

Энергия в цепи переносится ЭМ волной, которая делится с дрейфующими электронами.

Итак, вы не говорите о волнах материи в контуре.

Спасибо за ответ. Несколько замечаний: 1) Берем медный провод 1ммх1мм, подаем ток 1А, ставим резистор 1Ом. Рассеиваемая мощность составит 1 Вт. Кинетическая энергия электронов, проходящих через поперечное сечение провода в единицу времени, будет порядка 10^-20 Вт . Поэтому энергия почти не переносится электронами (делится с ними). продолжение
2) Возьмем почти идеальный проводник, то есть проводник с очень-очень низким сопротивлением, электрическое поле внутри проводника будет почти нулевым (потому что внутри него почти нет падения потенциала). Таким образом, вектор Пойнтинга внутри также почти равен нулю по амплитуде. Таким образом, передача энергии происходит вне проводника, а не внутри него (почти не внутри). 3) Скорость Ферми электронов в меди порядка 10^6, то есть около 0,01 с (вы упомянули 0,1 с). Пожалуйста, исправьте, если согласны. продолжение
Что касается волны материи, то гипотеза состоит в том, что после включения энергия может передаваться внутри электронного газа внутри проводника подобно звуковой волне, распространяющейся в твердом теле. Нужно доказать или опровергнуть.
Для 3) согласовано и изменено.
Волны материи — это волны де Бройля. Думаю, под волнами материи вы имели в виду продольные звуковые волны. Хорошо!! Здесь вы видите, что не было никакого физического воздействия, которое могло бы сместить электроны с одной стороны на другую. Вместо этого это было электрическое поле во всей проволоке, которое дрейфовало электроны. Вы как будто забиваете провода из каждого сечения. Как только была применена ЭДС, электрическое поле достигло другого конца при 0,3c. если провод имеет ограниченную длину, например 1000 м, вы можете сказать, что электрон с обоих концов дрейфует одновременно. Это было совсем не похоже на звуковую волну, которая начиналась с одного конца и двигалась к другому концу со скоростью 400 м/с.
Для 2) постоянный ток проходит через объем, а переменный ток - по поверхности. Здесь речь идет об электричестве, а не об электростатике.
1) Количество электронов учитывается в звене. это 1А/элементарный заряд = 6,25E18 электронов, проходящих за одну секунду. Таким образом, цифра 1,5E-20 Вт верна, а 10^2 Вт, о которой вы упомянули, неверна.
@SergeiGorbikov: Извините, я не читал вашу ссылку раньше. то, что вы измерили в ссылке, было только кинетической энергией электронов, но у них также есть потенциальная энергия внутри потенциала провода. Итак, вся энергия находится внутри электронов как KE + PE.
Включение лампочки. Начальный ЭМ/электронный импульс/распространение волны [закрыто]
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v