Lichtgeschwindigkeit vs. Stromgeschwindigkeit

Die elektrische Geschwindigkeit ist konzeptionell die Geschwindigkeit des elektromagnetischen Signals im Draht, was dem Konzept der Lichtgeschwindigkeit in einem transparenten Medium etwas ähnlich ist. Sie ist also normalerweise geringer, aber nicht zu viel geringer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Geschwindigkeit hängt auch von der Kabelkonstruktion ab. Sowohl die Kabelgeometrie als auch die Isolierung reduzieren die Geschwindigkeit. Gute Kabel erreichen 80 % der Lichtgeschwindigkeit; ausgezeichnete Kabel erreichen 90%. Die Geschwindigkeit hängt nicht direkt von der Spannung oder dem Widerstand ab. Unterschiedliche Frequenzen haben jedoch unterschiedliche Dämpfung. In Ihrem Beispiel stellt der Moment des Einschaltens eine Hochfrequenzfront dar, die gedämpft wird. Während am Eingang die Spannung sehr schnell ansteigen würde, würde sie am Ausgang allmählich, wie mit Verzögerung, ansteigen. Es ist nicht wirklich eine Verzögerung per se, weil das anfängliche Signal mit niedrigem Pegel fast mit Lichtgeschwindigkeit dorthin gelangen würde, seine Amplitude jedoch nur allmählich zunehmen und die volle Spannung mit einer erheblichen Verzögerung erreichen würde, die von der Kabel- und Schaltungsimpedanz (hauptsächlich von der Kabelinduktivität) abhängen würde. Wenn Sie anstelle eines Kabels ein Hochgeschwindigkeits-Koaxialkabel (wie ein 3-GHz-Satelliten-TV-Kabel) verwenden, wäre die Verzögerung viel kürzer (80-90 % der Lichtgeschwindigkeit bis zur vollen Spannung). Hoffe das hilft. Die Verzögerung wäre viel kürzer (80-90% der Lichtgeschwindigkeit auf die volle Spannung). Hoffe das hilft. Die Verzögerung wäre viel kürzer (80-90% der Lichtgeschwindigkeit auf die volle Spannung). Hoffe das hilft.

Hängt die Geschwindigkeit des Stroms auch von der angelegten Spannung oder dem Widerstand des Leiters ab?

Nicht nur der Widerstand der Leiter, sondern die Induktivität. Und auch die Kapazität gegen Masse und/oder gegen den anderen Leiter.

Denken Sie daran, dass ein Stromkreis im Gegensatz zu einem Laser eine vollständige Schleife benötigt. Die Verkabelung zur Übertragung von Elektrizität umfasst normalerweise 2 Leiter (und manchmal einen 3. Erdungsleiter). Dies ist bei der Hausverkabelung der Fall.

Eine Übertragungsleitung kann als „Leiter“ aus resistiven und induktiven Elementen mit Kondensatoren zum anderen Leiter modelliert werden. (Bild aus dem verlinkten Wikipedia-Artikel). Dies ist ein "Block" einer Übertragungsleitung. Eine echte Übertragungsleitung kann modelliert werden, indem dies wiederholt wird und die Grenze genommen wird, wenn die Zahl gegen unendlich geht, während der Widerstand / die Induktivität / die Kapazität auf Null geht. (Sie können normalerweise Gdx, den Widerstand des Isolators, der die Leiter trennt, ignorieren.)

Dieses Modell einer Übertragungsleitung wird die Gleichungen des Telegraphen genannt . Es wird davon ausgegangen, dass die Übertragungsleitung über ihre Länge gleichmäßig ist. Unterschiedliche Frequenzen in der gleichen Leitung "sehen" unterschiedlich$R$und$L$-Werte, hauptsächlich aufgrund des Skin-Effekts (höherer Widerstand bei höherer Frequenz) und des Proximity-Effekts . Das ist unglücklich für uns, denn ein Impuls durch das Umlegen eines Schalters ist effektiv eine Rechteckwelle, die theoretisch Komponenten mit unendlich hohen Frequenzen hat.

Der Wikipedia-Artikel über Übertragungsleitungen leitet diese Gleichung für die Phasenverschiebung eines Wechselstromsignals in einer langen Übertragungsleitung ab$x$. (Sie weisen darauf hin, dass ein Fortschritt in Phase von$-\omega \delta$entspricht einer zeitlichen Verzögerung um$\delta$.)

$V_out(x,t) \approx V_in(t - \sqrt{LC} x) e^{-1/2 \sqrt{LC} (R/L + G/C) x}$

Das Endergebnis all dessen ist, dass sich elektrische Signale mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit ausbreiten . Dies ist sinnvoll, da die elektromagnetische Kraft von (virtuellen) Photonen getragen wird ( https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier ).

Weiterlesen:

• https://practicalee.com/transmission-lines/ zeigt praktisch vs. ideal (verlustfrei) und zeigt die$t_{PD} = \sqrt{L_0 \cdot C_0}$Ausbreitungsverzögerungsformel und$\displaystyle Z_{0}={\sqrt {\frac {L_0}{C_0}}}$charakteristische Impedanz und einiges über die Geometrie von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte.

Ich hatte nicht viel Glück, Zahlen für die Übertragungsleitungseigenschaften der Haushaltsverkabelung zu finden. Sie sind zum Senden von Hochfrequenzsignalen ungeeignet, daher machen sich die meisten Menschen nicht die Mühe, sie zu messen.

Ethernet-Verkabelung (wie Cat5e) verdrillt die Leiter miteinander und unterliegt strengen Beschränkungen hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Verdrillungen pro Meter (und anderer Eigenschaften). Dies ist wichtig für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen, da Änderungen in der Verkabelung den Wellenwiderstand (für Wechselstromsignale) verändern und Signalreflexionen verursachen. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching ). Wechselstromkabel verdrehen die Drähte normalerweise überhaupt nicht, sodass Hochfrequenzsignale Energie durch HF-Emissionen verlieren.

Obwohl sich der Leistungsschalter nur in einem Leiter befindet, legt das Umlegen des Schalters eine Spannungsdifferenz an einem Ende der Übertragungsleitung an. Was wir wissen wollen, ist, wann (und in welcher Form) dieser Puls am anderen Ende erscheint.

Der Haushaltsstrom beträgt 50 oder 60 Hz Wechselstrom. Wenn Sie also zufällig den Schalter umlegen, während die Spannungsdifferenz (fast) Null ist, misst Ihr Messgerät nichts für die Übertragungsverzögerung + den Sekundenbruchteil, in dem sich die Phase über die hinaus ändert Empfindlichkeitsschwelle des Messgeräts. Es ist einfacher, wenn Sie davon ausgehen, dass dies nicht passiert, und es einfach als Gleichstromspitze modellieren (da sich die Stromphase viel langsamer ändert als die Verzögerung der Übertragungsleitung über 10 m Kabel).

Somit bestimmen die Übertragungsleitungseigenschaften des Kabels die Zeitverzögerung ab dem Einschalten eines Netzschalters, der am fernen Ende eines Kabels "erscheint".

Wenn jemand über Relativität / Gleichzeitigkeit streiten möchte, dann machen Sie das Experiment mit einem Spiegel und einer Übertragungsleitung, die den Detektor physisch neben dem Schalter platziert, aber immer noch elektrisch durch 10 Meter Verkabelung getrennt.

Stellen Sie sich analog Wasser in einem Rohr mit einem Ventil an einem Ende vor.

Wenn das Rohr leer ist und Sie das Ventil öffnen, müssen die Wassermoleküle die gesamte Länge des Rohrs durchlaufen, bevor Sie sehen, dass am anderen Ende Wasser austritt. Die benötigte Zeit repräsentiert die Geschwindigkeit des Wassers im Rohr.

Wenn das Rohr andererseits bereits mit Wasser gefüllt ist, beginnt Wasser aus dem anderen Ende zu fließen, sobald Sie das Ventil öffnen. Diese viel kürzere Zeitspanne stellt die Geschwindigkeit dar, mit der die Information (Öffnen des Ventils) durch das Rohr gewandert ist – im Wesentlichen die Schallgeschwindigkeit im Wasser.

Aneinanderreihung der Analogie zwischen Wasser und Strom:

Der erste Fall entspricht der Geschwindigkeit der Elektronen selbst (oder Elektronendrift); der zweite Fall entspricht der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen.

Im Fall eines Stromkreises wäre die richtige Wasseranalogie das bereits mit Wasser gefüllte Rohr. Die Elektronen, die die Energie entlang des Drahtes transportieren, sind immer vorhanden; Der Schalter wendet einfach das Potenzial an oder entfernt es, sie weiterzuschieben. Die Messung der "Geschwindigkeit" von Elektrizität anhand der Zeit, die das Schließen eines Schalters benötigt, um irgendwo entlang des Leiters zu wirken, misst die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Medium (elektrischer Leiter), die mit (fast) der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar ist In einem Vakuum.

Es würde alles von den Umständen des Mediums abhängen, durch das das Licht wandert, und von der Art des Drahtstroms. Wenn jedoch beide vernachlässigt werden können, wird die Lichtgeschwindigkeit schneller sein. Der Grund dafür ist, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist, also keine Masse hat, da Photonen keine Masse haben. Auf der anderen Seite ist Elektrizität ein Fluss von Elektronen, die eine Masse haben, und obwohl sie wenig ist, wird sie die Gesamtgeschwindigkeit beeinflussen. Allerdings sprechen wir in diesem Fall von der Geschwindigkeit der Elektronen. Wenn wir von der Geschwindigkeit der fließenden Energie sprechen, wird sie immer gleich der Lichtgeschwindigkeit sein, egal was passiert . Normalerweise wird die Geschwindigkeit jedoch aus der Energie berechnet, die durch den Draht fließt, die dann langsamer ist als die des Lichts. Eine klarere Erklärung wird hier gezeigt:

https://www.quora.com/Does-electricity-travel-at-the-speed-of-light

hoffe das hilft!

Streng genommen gibt es keine$"$Geschwindigkeit der Elektrizität$"$. Es muss zwischen Ladung und EM-Feld unterschieden werden. Die Geschwindigkeit der Elektrizität kann entweder die Driftgeschwindigkeit von Elektronen sein (in Höhe von einigen mm/s) oder die Geschwindigkeit des EM-Feldes, das das Kabel umgibt, nahe c. Elektrische Energie wird ausschließlich durch das EM-Feld gemäß dem Poynting-Vektor übertragen$S = E \times H$. (E und S sind innerhalb eines perfekten Leiters Null). Für Gleichstrom gilt einfach: a) Innerhalb eines Leiters findet eine Ladungsübertragung (Strom), aber keine Leistungsübertragung statt. b) Innerhalb eines Isolators findet eine Leistungsübertragung, aber keine Ladungsübertragung statt.