Как ток знает, сколько течь, прежде чем увидеть резистор?

Не уверен, что это то, о чем вы спрашиваете, но да, когда батарея подключена, волна электрического поля распространяется от батареи по проводам к нагрузке. Часть электрической энергии поглощается нагрузкой (в зависимости от закона Ома), а остальная часть отражается от нагрузки и возвращается обратно к аккумулятору, часть поглощается аккумулятором (снова закон Ома), а часть отражается от аккумулятора, и т. д. В конце концов, комбинация всех скачков достигает стабильного стационарного значения, которое вы ожидаете.

Обычно мы не думаем об этом таким образом, потому что в большинстве схем это происходит слишком быстро, чтобы его можно было измерить. Однако для длинных линий электропередачи это измеримо и важно. Нет, ток не «знает», что такое нагрузка, пока волна не достигнет его. До этого времени он знает только характеристическое сопротивление или «импедансное сопротивление» самих проводов. Он еще не знает, является ли другой конец коротким замыканием или разомкнутой цепью или каким-то промежуточным сопротивлением. Только когда отраженная волна возвращается, она может «узнать», что находится на другом конце.

См. Пример отражения цепи и Эффекты линии передачи в высокоскоростных логических системах для примеров решетчатых диаграмм и графика ступенчатого изменения напряжения с течением времени. См. Завершение линии передачи для анимированной симуляции различных оконечных устройств, которые вы можете изменить, и это для примера выключателя света.

И если вы этого не понимаете, в вашей первой цепи ток одинаков во всех точках цепи. Контур похож на петлю трубопровода, полностью заполненную водой. Если вы заставляете воду течь с помощью насоса в одной точке, вода во всех остальных точках контура должна течь с той же скоростью.

Волны электрического поля, о которых я говорю, аналогичны волнам давления/звука, распространяющимся через воду в трубе. Когда вы перемещаете воду в одной точке трубы, вода на другом конце трубы не меняется мгновенно; возмущение должно распространяться в воде со скоростью звука, пока не достигнет другого конца.

Поскольку теория была раскрыта, я проведу грубую аналогию (надеюсь, я правильно понимаю, о чем вы спрашиваете, это не так ясно)

В любом случае, если представить себе насос (аккумулятор), несколько труб, заполненных водой (провода), и участок, где труба сужается (резистор)
, вода есть всегда, но когда вы запускаете насос, она создает давление (напряжение ) и заставляет воду течь по контуру (ток). Сужение трубы (резистора) ограничивает поток (ток) до определенной величины и вызывает падение давления на ней (напряжение на резисторе, в данном случае равное аккумулятору).

Со второй схемой (два резистора, соединенных параллельно) достаточно ясно, что такое же количество тока, которое втекает в верхний переход, должно вытекать из нижнего перехода (см. Кирхгофа). Если резисторы одинаковы, то они будут делить ток. одинаково. это может быть похоже на то, что одна большая труба (провод) разделяется на две более узкие трубы (резисторы), а затем снова сливается в одну большую трубу. Если они неравны, то один будет потреблять больше потока (тока), чем другой, но общий выход всегда будет суммироваться с общим входом.

Вы можете задать тот же вопрос, используя аналогию с водой: откуда вода «узнает», сколько ей нужно течь? Потому что он ограничен шириной труб и давлением насосов.

РЕДАКТИРОВАТЬ. Кажется, заданный вопрос немного отличается от того, что я предполагал изначально. Проблема в том, что есть несколько разных ответов (как вы можете видеть) на разных уровнях абстракции, например, от закона Ома до Максвелла и квантовой физики. На уровне отдельных электронов, я думаю, у вас могут быть проблемы из-за дуальности волн частиц и двойного пути (см. эксперимент с двумя щелями с фотоном), упомянутых Маженко.
Обратите внимание, что причина, по которой я сказал выше, что «вода всегда есть», заключается в том, что сами электроны не текут со скоростью ~ 2/3 скорости света по цепи, а энергия от одного распространяется на следующий (вроде) и так далее. Немного похоже на мячи, которые беспорядочно подпрыгивают и друг в друге, со средней общей тенденцией отскакивать в направлении приложенного потенциала. Более простой способ представить это как линию бильярдных шаров: если вы ударите по белому шару в один конец, энергия будет «передаваться» через все шары (хотя на самом деле они не изменят положение), а затем шар в конце. другой конец оторвется.
У меня такое чувство, что квантовое объяснение могло бы звучать примерно так: мы можем только предсказать вероятностьчто отдельный электрон «выберет» один путь (или будет в одной конкретной области), но процесс не будет наблюдаться напрямую (т.е. теоретическая физика)

В любом случае, я думаю, что это отличный вопрос, и на него нужен хороший ответ (постараюсь улучшить этот вопрос, если позволит время), хотя на самом низком уровне, возможно, лучше справиться с физическим стеком.

Сначала ток толком не знает. Если предположить, что на линии есть большой мультяшный переключатель, в разомкнутом состоянии он представляет собой огромное сопротивление. (Емкостный) заряд накапливается по обе стороны от него; в частности, электроны толпятся на отрицательной клемме, а на положительной клемме не хватает того же количества электронов, что и в норме (заряд изображения). Поток тока незначителен (fA*), поэтому на резисторе нет падения потенциала. У электронов нет чистого движения или потока, потому что электростатическое отталкивание со своими соседями, включая большой сгусток на переключателе, равно силе смещения внешнего электрического поля.

Когда переключатель впервые замыкается, лишние электроны рядом с переключателем перемещаются к другому контакту, заполняя заряд изображения. Теперь, когда нет большой группы агрессивных электронов, отказывающихся двигаться и отталкивающихся назад, остальные впадают в бешенство ^{_{(ха! на самом деле это не так)}} и начинают мчаться по цепи.

Те, что внутри и рядом с резистором, встречаются... с сопротивлением (да ладно, я должен был) . Свободных электронов или участков не так много, так что, подобно очень большому импедансу, представленному переключателем ранее, заряд накапливается на обоих концах по мере того, как нетерпеливые педики толкаются за место в очереди. Оно продолжает нарастать до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие: электростатическое поле от сгустка электронов, ожидающих прохождения через резистор, равно смещению внешнего электрического поля.

В этот момент ток знает , сколько течь, и не изменится [пока вы не поймете, что вы вставили резистор на 1,3 Ом вместо резистора на 1,3 кОм, и он снова сгорит и разомкнет цепь].

Если бы источник был сначала полностью удален из системы, не было бы первоначального емкостного заряда. Мгновенное соединение с источником (переключатель DPST) привело бы к тому, что электрическое поле, распространяющееся по проводу вблизи c , ускоряло бы и увлекало за собой электроны и приводило бы к такой же скученности наподобие ухода с футбольного стадиона на резисторах. Однако в случае с параллельными резисторами двери упомянутого стадиона могут быть разной ширины, поэтому равновесные токи будут разными.

Как течение в дельте реки «узнает», по какому рукаву идти? «Ток» в каждом случае означает совокупный поток молекул воды или электронов, поэтому сначала замените вопрос на «Откуда каждый электрон (или молекула) знает, в какую сторону двигаться»? Это не так; его просто унесет в непосредственно локальном потоке, и на микро- или атомарном уровне он займет место уходящего прямо перед ним. Итак, что же происходит прямо в точке расхождения? Для наших макрозрителей направление, которое он принимает, является случайным и распределяется как отношение (отношения) токов ветвей. На самом низком уровне какое-то крошечное возмущение подтолкнет его в ту или иную сторону.

(Я знаю, очень грубое описание/аналогии - простите за подразумеваемые неточности.)

«Знание», сколько течь, подразумевает знание, которое подразумевает интеллект.

Течение не разумно и не течет само по себе. Ток вытягивается или «вытягивается» нагрузкой — в данном случае резисторами.

Величина тока, потребляемого нагрузкой, определяется законом Ома:

$I=\dfrac{V}{R}$

В первой схеме это достаточно просто рассчитать.

Вторая схема немного сложнее. Расчет$I_S$достаточно просто, если вы можете рассчитать общее сопротивление:

$\dfrac{1}{R_T} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}$

или же

$R_T = \dfrac{R_1 \times R_2}{R_1 + R_2}$

Затем количество тока, протекающего через каждое сопротивление, определяется соотношением двух резисторов. Если резисторы одинаковые, то через каждый будет протекать ровно половина тока. Если$R_1$дважды$R_2$, то через него будет протекать треть тока$R_1$, и две трети через$R_2$(обратите внимание, что текущий коэффициент противоположен коэффициенту сопротивления).

На самом деле ток не знает, сколько течь при t=0.

Каждый резистор имеет некоторую емкость, так как состоит из проводящих сторон, разделенных изолятором (пусть и не идеальным). Из-за этой емкости при t=0 ток распространяется настолько сильно, насколько может обеспечить источник питания. Затем он замедляется через некоторое время до своего нормального значения. Каждый практический резистор можно смоделировать как резистор и конденсатор, соединенные параллельно. Итак, ваша первая схема на самом деле представляет собой параллельную RC-цепь.

Также не забывайте, что поле Е (электрическое поле) создает поле В (магнитное поле), и наоборот. Когда вы подаете напряжение на резистор, вы создаете электрическое поле внутри резистора. Что вызывает изменение состояния электрического поля (вы повышаете электрическое поле от нуля до ненулевого значения). Изменение электрического поля создает магнитное поле и, наконец, создает поток тока.

Пожалуйста, обратитесь к уравнениям Максвелла для получения дополнительной информации.

Откуда ток знает? Это известно благодаря статистической механике (с участием Больцмана, а затем Ферми-Дирака, а затем Максвелла), когда фермионы (электроны) при определенной температуре стремятся занять объем проводника (металла), когда электроны свободно летают, как частицы идеального газа, и отскакивают от них. против атомов. Скорость (энергия) отдельных частиц около 1К миль в секунду (меньше скорости света), скорость дрейфа несколько миллиметров в секунду (см. вики "скорость дрейфа"). Среднее расстояние свободного полета электронов определяет «проводимость». Для наблюдателя потока электронов поведение электронов будет выглядеть как стремление частиц сохранять «электронейтральность», когда каждая локальная часть проводника содержит примерно равное количество электронов и протонов. Электроны заряжены, поэтому они отталкивают друг друга. Участие силы, скорости и массы во времени означает, что во время ускорения и торможения электронов испускаются и поглощаются виртуальные фотоны. Эти фотоны распространяются гораздо быстрее частиц и создают «давление». В целом, в зависимости от материала, скорость стенки давления близка к скорости света. Его можно назвать «волной». Остальную часть истории лучше объяснил Эндолит выше.

Цифры для меди при комнатной температуре можно посмотреть в этой статье .

TLDR: идеальный электронный газ со статистической механикой-> Больцман-> Ферми-Дирак-> Максвелл-> Ом

Никто не упомянул тот факт, что все схемы основаны на так называемой модели с сосредоточенными элементами .

На схеме провод не является проводом в обычном смысле, это упрощающая связь между узлами. Если бы вы хотели шаг за шагом описать, что происходит с током (или что он «ощущает») в проводнике, вам пришлось бы нарисовать бесконечный ряд пассивных элементов.

Лучшая аналогия, которая помогла мне понять это очень быстро и легко, я встречал где-то в Интернете, но не могу указать источник в данный момент. Если кто-то знает, где это, дайте мне знать, так что это может быть включено. Аналогия очень короткая, и это будет очень короткий ответ. Никаких формул. Так что это своего рода ненаучная, но элегантная аналогия, которую человеку действительно легко представить и понять.

Большинство людей представляют себе простые схемы, подобные приведенным в примерах, таких как пустая труба или труба, заполненная водой. Отчасти это связано с аналогией с обильным потоком воды.

На самом деле это гораздо больше похоже на трубу, наполненную твердыми шарами, как трубка для боулинга. Эта трубка заполнена шариками в линию от конца до конца, и между ними нет промежутков. Когда вы толкаете мяч с одного конца, все мячи проходят одинаковое расстояние .

Это движение представляет собой ток электронов, а сила, необходимая для перемещения шаров, представляет собой приложенное напряжение.

Другим источником путаницы является предложение «путь наименьшего сопротивления». Кто-то может представить человека на перекрестке, который выбирает 1 из 3 возможных путей. Когда человек пошел по пути, все люди идут по этому пути, и именно так ток НЕ ТЕЧИТСЯ . Вместо этого ток будет «разделяться» и течь во всех возможных направлениях, но пропорционально сопротивлению в этих направлениях. Иногда сопротивление настолько велико, что величина тока настолько мала, что для упрощения лучше им пренебречь.

На самом деле волны имеют к этому большое отношение, пока не будет достигнуто устойчивое состояние. Первоначально даже самая простая схема, состоящая из батареи, переключателя, провода и резистора, представляет собой линию передачи, окруженную электромагнитными волнами, и для ее понимания требуется анализ переходных процессов. Этот переходный анализ ответит на первоначальный вопрос в этом блоге, если я понимаю вопрос... Даже батарея сложна, и изначально, до достижения устойчивого состояния, требуется анализ, который регулируется уравнениями Максвелла и т. д. В прошлые годы DC101 сначала преподавали, используя аналогию с водой в трубах и т. Д. Аналогии проводились также для индуктивности и емкости. Это отличный способ помочь кому-то понять постоянный ток, если у вас есть пять минут, чтобы научить его этому, и закон Ома — это то, на что вы способны.

Ваш вопрос немного искажен, и я не понимаю, как волны имеют к этому какое-то отношение. Однако основной закон Ома легко объяснить на вашем примере. Оба резистора имеют напряжение$V_S$через них. Значит ток через них будет$\frac{V_S}{R}$. Конкретно

$I_1 = \dfrac{V_S}{R_1}$

$I_2 = \dfrac{V_S}{R_2}$

$I_S$представляет собой просто сумму двух токов через резисторы:

$I_S = I_1 + I_2$

Вы можете получить$I_S$по-другому, рассматривая эквивалентное сопротивление$R_1$и$R_2$в параллели.

В общем:$R_1 || R_2 || ... R_n = \dfrac{1}{(\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} + ... \dfrac{1}{R_n})}$

$R_1 || R_2 = \dfrac{1}{\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}} = \dfrac{R_1 \times R_2}{R_1 + R_2}$

Снова используя закон Ома, легко вычислить Is:

$I_S = \dfrac{V_S}{R_1 || R_2} = V_S \times \dfrac{R_1 + R_2}{R_1 \times R_2}$

Обратите внимание, что это тот же ответ, что и выше, где мы вычислили ток через каждый резистор и добавили их, чтобы получить$I_S$:

$I_S = I_1 + I_2$

$I_S = \dfrac{V_S}{R_1} + \dfrac{V_S}{R_2} = V_S \times \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} = V_S \times \dfrac{R_1 + R_2}{R_1 \times R_2} = V_S \times (R_1 || R_2)$

Это похоже на автомагистраль, заполненную автомобилями, где автомагистраль является проводником, а автомобили — электронами. Если впереди идут дорожные работы, ограничивающие автомагистраль с трех до одной полосы, все полосы замедляются, и автомобили, находящиеся в 20 милях позади, также не смогут ехать быстрее на трехполосном участке, потому что впереди едущие автомобили не пропустят их.