Цепи и скорость света

Предположим, у нас есть простая схема с одной батареей и одной лампой, управляемая переключателем. Когда переключатель замкнут, лампа сразу загорается. При размыкании переключателя лампа сразу же гаснет:(рис. Ниже)

Лампа немедленно реагирует на переключение.

На самом деле, лампе накаливания требуется короткое время, чтобы ее нить нагрелась и испустила свет после получения электрического тока достаточной силы для ее питания, поэтому эффект не является мгновенным. Однако я хотел бы сосредоточиться на непосредственности самого электрического тока, а не на времени отклика нити накала лампы.

Для всех практических целей эффект действия переключателя мгновенен в месте нахождения лампы. Хотя носители электрического заряда движутся по проводам очень медленно, общий эффект от столкновения носителей электрического заряда друг с другом происходит со скоростью света (примерно 186 000 миль в секунду !).

Но что бы произошло, если бы провода, подводящие к лампе, были длиной 186 000 миль? Поскольку мы знаем, что электрический сигнал имеет конечную скорость (хотя и очень быструю), набор очень длинных проводов должен вводить в схему временную задержку, задерживая действие переключателя на лампу:(рисунок ниже)

Со скоростью света лампа срабатывает через 1 секунду.

При отсутствии времени на прогрев нити лампы и отсутствии сопротивления на длине 372 000 миль обоих проводов лампа загорится примерно через одну секунду после замыкания переключателя.

Хотя строительство и эксплуатация сверхпроводящих проводов длиной 372 000 миль создаст огромные практические проблемы, это теоретически возможно, и поэтому этот «мысленный эксперимент» действителен. При повторном размыкании переключателя лампа будет продолжать получать питание в течение одной секунды после размыкания переключателя, а затем обесточится.

Один из способов представить себе это - представить носители электрического заряда внутри проводника как железнодорожные вагоны в поезде:связанные вместе с небольшим «провисанием» или «люфтом» в муфтах. Когда один железнодорожный вагон (носитель электрического заряда) начинает двигаться, он толкает один впереди и тянет за ним, но не раньше, чем в муфтах будет снята слабина.

Таким образом, движение передается от вагона к вагону (от одного носителя электрического заряда к другому) с максимальной скоростью, ограниченной провисанием муфты, что приводит к гораздо более быстрой передаче движения от левого конца поезда (цепи) к правому концу. чем реальная скорость автомобилей (носителей электрического заряда):(рисунок ниже)

Движение последовательно передается от одной машины к другой.

Другая аналогия, возможно, более подходящая для вопроса о линиях передачи, - это волны в воде. Предположим, что плоский объект в форме стены внезапно перемещается горизонтально по поверхности воды так, чтобы перед ним возникла волна.

Волна будет распространяться, когда молекулы воды сталкиваются друг с другом, передавая волновое движение по поверхности воды намного быстрее, чем сами молекулы воды на самом деле перемещаются:(рисунок ниже)

Волновое движение в воде.

Точно так же «связь» движения носителей электрического заряда движется приблизительно со скоростью света, хотя сами носители электрического заряда движутся не так быстро. В очень длинной цепи эта «сопряженная» скорость станет заметной для человека-наблюдателя в виде небольшой временной задержки между действием переключателя и действием лампы.

ОБЗОР:

• В электрической цепи "связь" движения носителей электрического заряда движется приблизительно со скоростью света, хотя носители электрического заряда в проводниках не движутся даже близко к этой скорости.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица характеристического импеданса