Einschalten einer Glühbirne. Anfängliche EM / Elektronenimpuls / Wellenausbreitung [geschlossen]

TLDR
Beim Einschalten eines elektrischen Geräts (z. B. einer Glühbirne oder einer Heizung) gibt es eine Anfangswelle (Impuls), die sich mit sehr hoher Geschwindigkeit (nahe der Lichtgeschwindigkeit) ausbreitet und „die Information trägt“, dass das Gerät eingeschaltet wurde . Was ist die Art der Welle : 1) eine EM-Welle, die sich im freien Raum entlang des Stromkreises ausbreitet, oder 2) eine materielle („Schall“) Welle von Elektronen in „Elektronengas“ innerhalb von Leitern? Oder beide Arten von Wellen (Materie- und Feldwellen). Was ist der Mechanismus der Wellenreflexion, bevor sich der Gleichgewichtsstrom einstellt (durch das Ohmsche Gesetz festgelegter Wert)?

Vollständige Frage
Angenommen, es gibt
1) eine Gleichstromquelle,
2) einen Schalter,
3) einen Widerstand,
4) zwei Drähte mit relativ niedrigem Widerstand (im Vergleich zum Widerstand), die die Quelle und den Widerstand verbinden.

Vor dem Schließen des Schalters kommt es zu Ladungsaufbau an den Enden des Schalters. Wenn die beiden Enden des Schalters nahe genug beieinander liegen, kommt es zu einer Lichtbogenentladung (Einschalten des Stromkreises), gefolgt von einem physischen Kontakt der Schalteranschlüsse (elektrischer Kontakt). Nennen wir es den Moment 1 Einschalten .

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Während der Entladung kommt es zu einem beschleunigten Elektronenfluss, der einen EM-Impuls verursacht , der sich hauptsächlich entlang der Drähte ausbreitet ; wahrscheinlich in beide Richtungen (nicht 100% sicher), dh eine zur Batterie und eine andere zum Widerstand.

Danach werden diese beiden Pulse mehrfach an der Stromquelle und am Widerstand reflektiert, bis
1) die Energie der Pulse in thermische Energie von Widerstand und Drähten umgewandelt ist und
2) das Gleichgewicht eingestellt ist (Moment 2 Equilibrium) .

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Was das Gleichgewicht betrifft, so sind das stationäre EM-Feld und der Energiefluss klar (siehe Bild oben) ( {1} , {2} , {3} ). Es gibt statische elektrische und magnetische Felder mit dem Poynting-Vektor S → = E → × B → Linien, die von der Stromquelle zum Widerstand gehen und die Richtung der Energieübertragung von der Quelle zum Widerstand (Energieverbraucher) anzeigen.

Die vier Fragen beziehen sich auf die Physik des Übergangs vom Moment 1 Einschalten zum Moment 2 Gleichgewicht :

1) Wie oft wird der Anfangsimpuls hin und her reflektiert, bevor das Gleichgewicht erreicht ist ?
Offensichtlich hängt die Antwort davon ab, wie man das Moment 2-Gleichgewicht festlegt: Angenommen, der Strom im Draht beträgt 90% des Gleichgewichtswerts ( 90 % ⋅ v R ).

2) Welche physikalischen Prozesse liegen dieser „Reflexion“ zugrunde (beschreiben Sie den Mechanismus der „Reflexion“)?

3) In welchem ​​Medium (freier Raum oder Leitungen) breitet sich der Impuls aus? Seine Flugbahn.

Ich bin mir fast sicher (aber nicht zu 100%), dass sich der Impuls im freien Raum um die Schaltungselemente herum ausbreitet , nicht in Drähten, Widerständen oder Stromquellen. Bitte bestätigen oder widerlegen.

4) Was passiert in der Schaltung nach dem Einschalten ?
Nämlich: Gibt es irgendwelche „elektronischen“ (Materie) oder EM (Feld) Wellen innerhalb des Leiters, die die Energie oder „Information“ tragen, dass der Stromkreis eingeschaltet wurde?
Die Frage betrifft die transienten Prozesse zwischen den Momenten 1 und 2.
Wenn ja, wie groß ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Wellen? Handelt es sich um eine Welle in einem „Elektronengas“, ähnlich einer Schallwelle? Wenn ja, welche physikalischen Prozesse stecken hinter der Energieübertragung innerhalb eines solchen Elektronen-„Gases“?
Oder wenn es sich um eine Ausbreitung von EM-Wellen innerhalb des Leiters handelt, wie hoch ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit? Sollte eine solche Welle sofort in den Leitern absorbiert werden (bei einer Fülle freier Elektronen im Inneren)?

Denken Sie daran, dass die Phasengeschwindigkeit von Licht in Kupfer in der Größenordnung von mehreren hundert Metern pro Sekunde liegt.

PS: Da es viele Fragen gibt, sind Teilantworten willkommen .
PPS: Dies ist eine nicht gut gestaltete Schaltung. Es treten also Reflexionen auf.

Es gibt eine ähnliche Frage , jedoch geht es um den Gleichgewichtszustand, nicht um den Übergangszustand.
Das sind viele Fragen ... aber was im Detail passiert, kann nur mit einer vollständigen Maxwell-Simulation beantwortet werden, da es ganz auf die Geometrie ankommt. Im Allgemeinen enthält eine gut entworfene elektronische Schaltung, bei der dies von Bedeutung ist, keine so offene Geometrie, sondern verwendet Übertragungsleitungsstrukturen mit gut definierten Impedanzen, in welchem ​​Fall es überhaupt keine Reflexionen gibt.
@CuriousOne 10x. Ich habe die Frage aktualisiert.
Um Ihre erste Frage zu beantworten, beachten Sie, dass eine Materiewelle von Elektronen notwendigerweise E&M-Wellen induzieren würde, sodass sie nicht so deutlich sind. Ich bin dann versucht zu sagen, dass wirklich beides vorkommt und in direktem Zusammenhang steht. Wenn Sie jedoch Schaltungs-QED durchführen, sprechen die Leute über diese Dinge normalerweise nur als Photonen oder E & M-Wellen.
@aquirdturtle 10x für den hervorragenden Kommentar. Ich habe ein ähnliches Gefühl, dass Materie und EM-Wellen miteinander verbunden sind. Zumindest nach Maxwells Gleichungen. Keine Ströme, keine Ladungen, dann kein EM-Feld (außer ebenen Wellen). Was ich nicht herausfinden kann, ist, warum sich die Welle der Materie („Elektronen“) mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt (nicht mit der Geschwindigkeit des „Elektronenschalls“).

Antworten (1)

EM-Wellen bewegen sich entlang und im Draht (nicht vollständig im freien Raum) im Kreis. Wenn sich EM-Wellen ausbreiten, bewegen sich auch Elektronen im Draht. Also bewegen sich beide gleichzeitig.

Die Materiewelle bewegt sich nicht bei c .

Es gibt keine einzelne Materiewelle im Draht. Es gibt Millionen von Elektronen, die sich mit fast jedem bewegen 10 5 M / S . Sie sind immer in Bewegung.

Wenn Sie die Driftgeschwindigkeit berücksichtigen, ist es   10 − 4 M / S .

Energie im Stromkreis wird von EM-Wellen getragen, die mit driftenden Elektronen geteilt werden.

Sie sprechen also nicht über Materiewellen im Kreislauf.

Danke für die Antwort. Mehrere Kommentare: 1) Nehmen Sie 1 mm x 1 mm Kupferdraht, senden Sie 1 A Strom, setzen Sie einen 1 Ohm Widerstand ein. Die Verlustleistung beträgt 1 Wt. Die kinetische Energie von Elektronen, die pro Zeiteinheit durch den Querschnitt des Drahtes hindurchgehen, liegt in der Größenordnung von 10^-20 Wt . Daher wird die Energie fast nicht von Elektronen getragen (mit ihnen geteilt). Forts
2) Nehmen Sie einen nahezu idealen Leiter, d. h. einen mit sehr, sehr geringem Widerstand, das elektrische Feld im Inneren des Leiters ist nahezu Null (weil fast kein Potentialabfall darin). Somit ist auch der Poynting-Vektor innen nahezu null in der Amplitude. Somit findet die Energieübertragung außerhalb des Leiters statt, nicht innerhalb (fast nicht innerhalb). 3) Die Fermi-Geschwindigkeit von Elektronen in Kupfer liegt in der Größenordnung von 10 ^ 6, dh etwa 0,01 c (Sie haben 0,1 c erwähnt). Bitte ändern, wenn einverstanden. Forts
Was die Materiewelle betrifft, so lautet die Hypothese, dass nach dem Einschalten Energie innerhalb eines Elektronengases innerhalb eines Leiters übertragen werden kann, ähnlich wie eine Schallwelle, die sich in einem Festkörper ausbreitet. Muss bewiesen oder widerlegt werden.
Zu 3) vereinbart und geändert.
Materiewellen sind deBroglie-Wellen. Ich denke, mit Materiewellen meinten Sie longitudinale Schallwellen. Okay!! Hier sehen Sie, dass es keinen physikalischen Aufprall gab, der Elektronen von einer Seite zur anderen treiben würde. Stattdessen war es ein elektrisches Feld im gesamten Draht, das Elektronen driftete. Es ist, als ob Sie Draht aus jedem Querschnitt gehämmert hätten. Sobald EMF angelegt wurde, erreichte das elektrische Feld das andere Ende bei 0,3c. Wenn der Draht eine begrenzte Länge wie 1000 m hat, können Sie sagen, dass ein Elektron von beiden Enden gleichzeitig zusammengedriftet ist. Es war nichts wie eine Schallwelle, die an einem Ende begann und sich mit 400 m/s zum anderen Ende bewegte.
Für 2) eine DC-Reise durch die Masse und AC an der Oberfläche. Wir sprechen hier von Elektrizität und nicht von Elektrostatik.
1) Die Anzahl der Elektronen wird im Link berücksichtigt. es ist 1A/Elementarladung = 6,25E18 Elektronen, die für eine Sekunde passieren. Die Zahl 1,5E-20 W ist also richtig, während die von Ihnen erwähnten 10 ^ 2 W falsch sind.
@SergeiGorbikov: Entschuldigung, ich hatte Ihren Link vorher nicht gelesen. Was Sie in dem Link gemessen haben, war nur die kinetische Energie von Elektronen, aber sie haben auch potentielle Energie innerhalb des Potentials des Drahtes. Die gesamte Energie befindet sich also in Elektronen als KE + PE.
Einschalten einer Glühbirne. Anfängliche EM / Elektronenimpuls / Wellenausbreitung [geschlossen]
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v