Электроника:Переменный ток/Линии передачи/Электрические цепи и скорость света

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Электрические цепи и скорость света[1]

Предположим, у нас простая схема с одной батареей и одной лампой, управляемая переключателем. Когда переключатель замкнут, лампа моментально загорается. При размыкании переключателя лампа сразу гаснет:

Рис. 1. Лампа мгновенно реагирует на изменение состояния переключателя.

На самом деле, лампе накаливания требуется короткое время, чтобы её нить нагрелась и испустила свет после получения электрического тока достаточного, чтобы запитать её, поэтому эффект не мгновенный. Но я бы хотел сосредоточиться непосредственно на самом электрическом токе, а не на времени отклика нити накаливания.

Для любого практического применения можно считать, что лампа, где бы она ни находилась, мгновенно реагирует на действие переключателя. Хотя носители электрического заряда движутся по проводам условно медленно, общий эффект подталкивания электронов друг друга приводит к тому, что ток течёт со скоростью света (примерно 300 тысяч километров в секунду!).

Но как бы всё было, если бы провода, подающие питание к лампе, действительно имели длину 300 тысяч км? Поскольку мы знаем, что электрический сигнал имеет конечную скорость (хотя и весьма быструю), набор очень длинных проводов вводит в схему временну́ю задержку, из-за чего действие переключателя воздействует на лампу уже не сразу:

Рис. 2. С учётом скорости света лампа реагирует аж через 1 секунду.

Если предположить, что нити накаливания не нужно время на разогрев, и отсутствует сопротивление по всей длине 600 тысяч километров обоих проводов, то лампа загорится примерно через одну секунду после замыкания переключателя.

Хотя строительство и эксплуатация сверхпроводящих проводов длиной 600 тысяч километров достаточно проблематично, теоретически это возможно, так что наш «мысленный эксперимент» вполне реален. Если разомкнуть переключатель, ещё в течение целой секунды лампа будет получать питание и только затем погаснет.

Дабы лучше понять этот механизм, электроны внутри проводника уподобим железнодорожным вагонам в поезде: при этом связь между ними есть, но в ней присутствует определённый люфт. Когда один железнодорожный вагон (являющийся аналогом электрона) начинает движение, он толкает вагон впереди или тянет вагон позади, но с учётом люфта это происходит не мгновенно, а тогда, когда возникает соответствующее механическое напряжение в железнодорожной сцепке.

Таким образом, движение передаётся от вагона к вагону (от одного электрона к другому) с максимальной скоростью, ограниченной провисанием соединительной муфты, что приводит к гораздо более быстрой передаче движения от левого конца поезда (электрической цепи) к правому концу, чем фактическая скорость отдельных вагонов (электронов):

Рис. 3. Импульс движение последовательно передаётся от одного вагону к другому.

Другая аналогия, возможно, более подходящая для линий передачи, – это волны в воде. Предположим, что плоский объект, эдакая вертикально опущенная в жидкость стенка, перемещается горизонтально вдоль поверхности воды, создавая перед собой волну.

Волна распространяется, так как молекулы воды сталкиваются друг с другом, передавая волновое движение по поверхности воды намного быстрее, чем фактически перемещаются сами молекулы воды:

Рис. 4. Волновое движение в воде.

Аналогично и движение через «сопряжение» электронов передаётся приблизительно со скоростью света, хотя сами носители электрического заряда движутся не настолько быстро. В очень длинной цепи эта «сопряжённая» скорость уже заметна для человека-наблюдателя в виде небольшой временно́й задержки между щелчком на переключателе и реакцией лампы.

Итог

  • В электрической цепи «сопряжение» движения электронов передаётся приблизительно со скоростью света, хотя сами носители электрического заряда в проводниках не движутся ни в каком направлении с такой скоростью.

См.также

Внешние ссылки