W jaki sposób energia elektryczna zasila obwód?

Pracując z niektórymi obwodami tego lata, natknąłem się na to, co ostatecznie robią wszyscy: prąd przepływa od + do - pomimo elektronów przepływających (cóż, wpadających na siebie) od - do +. Rozumiem tło historyczne, ale dla mnie to rodzi pytanie:

Gdybym naciągnął dowolną dużą liczbę dwukierunkowych żarówek na przewód o długości powiedzmy 10 sekund świetlnych i podłączyłbym ją do wystarczająco mocnej baterii, co by się stało? Czy wszystkie żarówki zapalą się jednocześnie? Czy zapalą się od + do -, od - do +? Z góry dziękuję. To mnie naprawdę denerwuje.

Krótka odpowiedź

Najpierw zaświeci się lampa najbliżej zacisku, który jest zamknięty. Jeśli oba zaciski zostaną jednocześnie zamknięte, a obwód zostanie wstępnie naładowany w środku potencjału i potencjałów uziemienia, najpierw zapalą się lampy na końcach strun. Nie jest możliwe, aby lampa w środku najpierw się zaświeciła. Czytaj dalej, aby uzyskać wyjaśnienie, dlaczego.

Opis problemu

Powiedzmy, że mamy dwie lampy połączone szeregowo ze źródłem napięcia. Odległość od lamp do siebie i źródła napięcia jest tak duża, że ​​zauważalne jest opóźnienie wymagane do rozchodzenia się ładunku.

Załóżmy, że mamy detektor przy każdej lampie z nieskończoną precyzją czasu i nieskończoną precyzją luminancji. Załóżmy również, że luminancja każdej żarówki jest wprost proporcjonalna do napięcia na jej zaciskach, więc nawet jeśli występuje niewielkie napięcie, generowane będzie małe światło. Ta konfiguracja testowa pokaże nam, która żarówka zapali się jako pierwsza.

Pomocne jest odrzucenie koncepcji, że przewody i elementy zachowują się w idealny sposób. Modelujemy przewody jako linie przesyłowe . W takim przypadku fala napięcia zacznie się od ostatniego podłączonego zacisku. Spójrzmy na każdy przypadek. Napięcia względne są reprezentowane za pomocą + i -. Tak więc od wysokiego napięcia do niskiego napięcia kolejność wynosi +++, ++, +, -, -, ---.

Przypadek 1: uziemienie podłączone początkowo

W takim przypadku węzły obwodu są początkowo ładowane do napięcia uziemienia.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Kiedy zasilacz jest podłączony, fala napięcia zaczyna się od zacisku zasilacza, gdy elektrony są pochłaniane przez zasilacz. LAMP1 jest pierwszym, który ma na sobie różnicę napięć, więc najpierw się zaświeci.

^{zasymuluj ten obwód}

Gdy fala napięcia osiągnie zacisk uziemienia, jego część może odbijać się wstecz i przemieszczać w przeciwnym kierunku (patrz dzwonienie ). Zakładając, że bezwzględna wartość współczynnika odbicia jest mniejsza niż 1, fala ostatecznie zniknie po nieskończonym czasie, a obwód ustabilizuje się na stałym napięciu w każdym węźle obwodu. W praktyce fala powinna zanikać, aby niemal natychmiast wywołać znikomy efekt.

^{zasymuluj ten obwód}

Przypadek 2: zasilanie podłączone początkowo

W takim przypadku węzły obwodu są początkowo ładowane do napięcia zasilania.

^{zasymuluj ten obwód}

Kiedy uziemienie jest podłączone, fala napięcia zaczyna się od zacisku uziemienia, ponieważ elektrony są pozyskiwane z ziemi. LAMP2 jako pierwszy ma na sobie różnicę napięć, więc najpierw się zaświeci.

^{zasymuluj ten obwód}

Gdy fala napięcia osiągnie zacisk zasilania, jego część może ponownie odbijać się i przemieszczać w przeciwnym kierunku, zanim obwód ustabilizuje się na stałe napięcie w każdym węźle.

^{zasymuluj ten obwód}

Przypadek 3: oba zaciski podłączone jednocześnie

W rzeczywistości przypadek ten zależy od napięcia początkowego obwodu. Jeśli znajduje się pomiędzy napięciem zasilania a ziemią, fala napięciowa z zasilacza wyciągnie (zatopi) elektrony z obwodu, podczas gdy fala napięcia z ziemi popchnie (źródło) elektrony do obwodu. Podsumowując, jest to połączenie dwóch poprzednich przypadków, z dwiema falami poruszającymi się w przeciwnych kierunkach.

Która lampa włącza się pierwsza?

Z intuicji ze schematów wiemy, że żarówka znajdująca się najbliżej przełącznika zaświeci się jako pierwsza. Światła mogą się wyłączać lub włączać tylko raz, lub mogą migać, gdy fale napięcia odbijają się w obie strony w obwodzie. Mogą się zmieniać stopniowo lub bardzo gwałtownie. Zachowanie zależy od impedancji całego obwodu. To określi ostrość fal napięciowych (przełączanie stopniowe i nagłe), a także liczbę i intensywność odbić (migotanie).

Możesz zapoznać się z równaniami Maxwella i teorią linii przesyłowych i dowiedzieć się, które światło zaświeci się przy której femptosekundie i uzyskać super pedantyczne podejście . Ale po co spędzać lata, aby odpowiedzieć na to pytanie, skoro można uzyskać intuicję w ciągu kilku minut? Wszystko, co musisz wiedzieć, to że napięcie, jako różnica potencjałów elektrycznych, przemieszcza się falą ! To wszystko, co musisz wiedzieć!

Załóżmy, że jest to bezstratny przewodnik bez pojemności / indukcyjności : elektrony nie poruszają się z nieskończoną prędkością, więc dobrze jest wyobrazić sobie, jak przerzucanie przełącznika powoli indukuje falę energii, która płynie w dół drutu; jednak ponieważ żarówki zapalają się, gdy płynie prąd, a ponieważ prąd płynie tylko wtedy, gdy elektrony zaczną się poruszać, światła nie zapalą się, dopóki pole elektromagnetyczne nie rozprzestrzeni się całkowicie. Wszystkie żarówki zaświecą się jednocześnie.

Jednak! Ten idealny model to bzdury. W rzeczywistości twoje przewody mają pojemność i indukcyjność; wpłynie to na obwód. Wyobraź sobie, że żarówki są połączone równolegle. W takim przypadku po przestawieniu przełącznika (który można zainstalować po stronie dodatniej lub ujemnej, żarówka najbliżej przełącznika włączy się pierwsza.