Prędkość energii elektrycznej i transfer danych


12

W niektórych miejscach czytałem, że prąd jest bardzo wolny. Jak więc ruch internetowy w drutach miedzianych może być tak szybki? Wydaje mi się, że mam dużą lukę w wiedzy na temat niskopoziomowej struktury przesyłania danych. Tak czy inaczej, szukałem go i nie mogłem znaleźć, więc?


1
To nie jest żadna odpowiedź i nie jestem profesorem fizyki, ale tutaj jest interesująca dyskusja na temat prędkości elektryczności , która może ci się przydać. Jako ciekawostkę warto zapoznać się z niektórymi „powerline” adapterami ethernetowymi - pozwalają one na współdzielenie gigabitowego Ethernetu przez sieć energetyczną w domu / biurze itp., Przy pełnej prędkości gigabitowej. Nie mogę wymyślić dobrego sposobu na porównanie prędkości tych dwóch, ale może jest tu ktoś, kto może wyjaśnić związane z tym pojęcia.
Josh

Mam taką koncepcję, ale problem, którego nie mogę sobie wyobrazić, brzmi: kiedy przesyłasz dane, czy nie chcesz przesyłać określonych 1 i 0? czy to jest jeszcze bardziej niski poziom? Bo jeśli nie, to jak możesz określić, co transmitujesz?
Delison,

5
Elektrony bardzo powoli dryfują przez przewody, ale sygnał (lub energia) będzie się rozprzestrzeniał blisko prędkości światła.
sblair

5
@Delison - nie ma czegoś takiego jak przesyłanie 1 i 0; chodzi o interpretację czegoś, co jest przekazywane. Jeśli zmienisz prąd za pomocą drutu, a wcześniej ustaliliśmy, że cokolwiek powyżej X woltów będzie uważane za 1, a cokolwiek poniżej Y woltów 0, jest to nasz wspólny standard interpretacji (inaczej „protokół”) dla analogu , rzeczywista rzecz, która tworzy informacje binarne. Równie dobrze moglibyśmy rzucić kije na ścianę i zmierzyć je; cokolwiek dłuższego niż 10 cm byłoby 1; mniejsze byłoby 0. Dane binarne są interpretowane, nie wysyłane ani przechowywane.
Nathan Long

Odpowiedzi:


30

Elektryczność w drutach jest zasadniczo ruchem nośników ładunku, takich jak elektrony. Poruszają się one bardzo powoli.

Jednak zmiana napięcia na jednym końcu drutu powoduje niemal natychmiast odpowiednią zmianę na drugim końcu drutu.

Pomyśl o bardzo długiej rurze wężowej, jeśli rura jest pusta po odkręceniu kranu, może upłynąć kilka sekund, zanim rura napełni się wodą, zanim zacznie wypływać z drugiego końca. Jeśli rura jest już wypełniona wodą, odkręcenie kranu natychmiast wypchnie wodę z drugiego końca.

Napięcie jest z grubsza analogiczne do ciśnienia. Zmiana ciśnienia wody może być przenoszona przez rurę pełną wody szybciej niż woda się porusza.


4
Wszyscy wiedzą, że internet to seria „rur”, a nie przewodów, lol .... en.wikipedia.org/wiki/Series_of_tubes
Moab

Heh, Tubes ... Nic dziwnego, że mamy wycieki informacji i jak powie każdy hydraulik, najważniejszą koncepcją jest „Stuff Runs Downhill”.
Fiasco Labs,

2
+1. Również fale dźwiękowe są podobne: fala dźwiękowa porusza się w powietrzu z prędkością około 343 metrów na sekundę. Gdyby samo powietrze poruszało się tak szybko, oderwałoby cię; zamiast tego cząsteczki powietrza stukają się ze sobą, jedna po drugiej, przenosząc energię z jednej do drugiej z tą prędkością, podczas gdy każda pojedyncza cząsteczka w większości pozostaje w miejscu.
Nathan Long

23

Kilka lat temu napisałem na blogu dokładnie to pytanie.

Zasadniczo, chociaż poszczególne elektrony poruszają się z prędkością zaledwie kilku milimetrów na sekundę, „sygnał” ich zderzenia ze sobą porusza się znacznie szybciej (duża część prędkości światła) .

elektrony wpadające na siebie przez rurkę

Zwróć uwagę, jak kule wchodzą bardzo powoli do rurki, ale „sygnał”, że piłka weszła (siła propagująca się w dół rurki) porusza się znacznie szybciej. Elektrony poruszające się drutem działają w bardzo podobny sposób.


6

Prędkość, z jaką elektrony poruszają się w przewodniku, jest stosunkowo wolna, ale informacje są przenoszone na parach przewodników lub w powietrzu za pomocą fal elektrycznych, a fale te poruszają się bardzo szybko: z prędkością światła w próżni lub około 2/3 tego w kablu koncentrycznym.

Jeśli weźmiesz linę, przymocujesz do niej jeden koniec lub ktoś go przytrzyma, a następnie szybko odwrócisz koniec liny w górę i w dół, wzbudzisz falę w linie, która szybko przesunie się z twojego końca na drugi koniec. Jednak cząsteczki liny nie poruszają się bardzo szybko.

Innym przykładem jest fala oceaniczna. Tsunami podróżuje z prędkością setek kilometrów na godzinę, ale woda niosąca falę nie porusza się tak szybko.


Podczas działania fal oceanicznych cząsteczki wody poruszają się po okręgu, w pobliżu powierzchni, większych kręgów, których średnica maleje, aż osiągniesz maksymalną głębokość fali (tsunami = głębokość słupa wody wzbudzona przez impuls sejsmiczny / geologiczny). W elektryczności elektrony przemieszczają się tylko z jednego atomu do drugiego w przewodniku, co jest bardzo niewielkim ruchem, ale kaskada ruchu elektronów rozciąga się przez cały przewodnik z prędkością bliską prędkości światła. W powietrzu / próżni fale radiowe przemieszczają się jako sparowane przemienne pole elektryczne i magnetyczne w odległości 90 stopni.
Fiasco Labs

6

Sama energia elektryczna przemieszcza się przez przewody z prędkością światła x współczynnik prędkości . Tani kawałek kabla koncentrycznego RG-58 o współczynniku prędkości 75% może transmitować fale radiowe przy 75% prędkości światła.

Pojawia się zamieszanie, ponieważ nie używamy tylko prądu stałego do przesyłania informacji, ale raczej prądu przemiennego lub prądu przemiennego wywieranego na napięcie stałe (modulację) w tym celu. Każde zastosowane medium transmisyjne ma maksymalną częstotliwość, przy której będzie działać. Telegraf z wykorzystaniem przełączanego prądu stałego 5-50 wpm (drut zawieszony na biegunach z powrotem uziemienia), standardowa linia POTS może przechodzić 4 kHz (wiejski kabel równoległy 2 pary z ekranem), linia DSL w pobliżu DSLAM może przechodzić 2 MHz (skrętka z DSLAM do domu), skrętka Ethernet CAT5 Ethernet 100 MHz i tak dalej. Zazwyczaj im wyższa częstotliwość, którą nośnik transmisji może obsłużyć, tym wyższa może być przez nią transmisja danych.

Elektryczność przepływa przez kabel z tą samą prędkością, ale coraz wyższa szybkość przełączania przenosi coraz więcej informacji.

Oprócz tej koncepcji wykorzystania energii elektrycznej do przesyłania informacji stosuje się rodzaj modulacji.

Blisko, prosty szeregowy falowy kwadrat może działać dobrze. Występuje w wielu smakach. TTL wykorzystuje przesunięcie 0-5 woltów, RS-232 wykorzystuje wahania napięcia między dodatnim a ujemnym 3-15 woltów. itd itd.

W przypadku linii telefonicznych POTS transmisja fali prostokątnej nie działałaby, charakterystyka linii przekształca ją w falę sinusoidalną, dlatego stosuje się różne schematy modulacji, takie jak przesunięcie amplitudy, przesunięcie częstotliwości, przesunięcie fazowe lub kombinacja tych stosowanych w modulacji QAM, które mogą może być użyty do zwiększenia prędkości transmisji danych ze 150bps do 56kbps.

DSL działa na znacznie wyższej częstotliwości niż POTS i stosując technikę modulacji o nazwie Discrete Multi-tone, działa na wielu częstotliwościach nośnych (pomyśl pasmo AM radiowe i odbieraj wszystkie stacje jednocześnie, każda z nich przenosi sygnał danych i łączy je w drugiej koniec) za pomocą modulacji przesunięcia fazowego i amplitudowego, osiągając wartość danych 1-7 Mb / s.

Obejmuje to pętlę lokalną, kiedy wchodzimy do szkieletu internetowego, zaczynamy używać takich rzeczy, jak media Digital Signal (DS) i nośniki optyczne (OC), aby przenosić ruch za pomocą technik PCM (Pulse Code Modulation) na wielu kanałach. To jest prawdziwa cyfrowa część sieci. Po raz kolejny ruch porusza się z prędkością bliską prędkości światła, ale baza danych zależy od częstotliwości i zastosowanej techniki modulacji.

Dodatek: Elektrony przemieszczają się z jednego atomu na drugi w niewielkiej odległości. Przepływ prądu, który postrzegamy jako elektryczność, jest niemal natychmiastową kaskadą elektronów przemieszczających się z jednego atomu na drugi na długości przewodnika.


1
-1 Nie jestem pewien, dlaczego ma tak wiele głosów pozytywnych, ponieważ 1.będzie to brzmiało jak bełkot dla każdego, kto dopiero zaczyna studia elektryczne i 2.nie ma nic wspólnego z pytaniem (dlaczego sygnał przesuwa się tak szybko, jeśli nośniki ładunku poruszają się tak wolno ) , z wyjątkiem uzupełnienia
BlueRaja - Danny Pflughoeft,

2
Dodatek jest tematyczny, ale błędny. W miedzi (i innych metalach) elektrony walencyjne (te przewodzące prąd) nie są związane z atomami i nie przemieszczają się z atomu na atom. Zamiast tego swobodnie poruszają się po strukturze kryształu. Ta wolność właśnie dlatego metale tak dobrze przewodzą prąd. Materiały zachowujące się zgodnie z opisem (gdzie elektrony muszą przeskakiwać z atomu na atom) nazywane są izolatorami.
MSalters
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.