W jaki sposób energia elektryczna zasila obwód?

22

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.

Tomek
źródło
Jak podłączana jest bateria? czy jest już podłączony do jednego z zacisków akumulatora, a ty po prostu podłączasz drugą stronę, czy oba przewody zostaną podłączone jednocześnie do akumulatora?
Gorloth,
Nie myślałem o tym i nie wiem, czy to by miało znaczenie. Powiedzmy, że robisz to trzy razy, robiąc to najpierw pozytywnie, potem negatywnie, potem negatywnie pozytywnie, a potem oba jednocześnie.
Tom
4
Pomyślałbym, że kiedy masz bardzo długi obwód (10 sekund świetlnych), a jeden przewód podłączony do akumulatora spowodowałby, że obwód ma ten potencjał, więc podłączenie drugiego przewodu spowodowałoby puls w przewodzie, elementy linii przesyłowej i wszystko inne (Myślę, że dotyczy to tej sytuacji)
Gorloth,
3
Gdzie stoisz w odniesieniu do świateł? Jeśli jesteś 10 sekund świetlnych od najdalszego światła i świeci pierwsze, można zobaczyć wszystkie zapalają się od razu ...
żużel
@Gorloth, tak, będzie to fala napięciowa zaczynająca się od ostatniego podłączonego terminala. Obowiązuje tutaj teoria linii przesyłowej.
travisbartley,

Odpowiedzi:

17

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.

schematyczny

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.

schematyczny

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.

schematyczny

zasymuluj ten obwód

Przypadek 2: zasilanie podłączone początkowo

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

schematyczny

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.

schematyczny

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.

schematyczny

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!

Travisbartley
źródło
@RedGrittyBrick, to jest papier, o którym pisałem, pisząc to. Pokazuje, jak fala napięcia rozchodzi się po linii przesyłowej. Jestem pewien, że inne efekty powodują, że rzeczywistość odbiega nawet od teorii linii przesyłowej, ale model powinien być wystarczająco dobry, aby odpowiedzieć na to pytanie. web.cecs.pdx.edu/~greenwd/xmsnLine_notes.pdf
travisbartley
Źle odczytałem twoją odpowiedź (ponieważ jestem leniwy i jest długi), więc usunąłem mój wcześniejszy komentarz. Myślę, że twój wniosek jest taki, która lampa zapala się najpierw, zależy od tego, po której stronie baterii (na twoim schemacie) znajduje się przełącznik, więc odpowiedź na Q OP jest taka, że ​​odpowiedź na „od + do -, [lub] od - do +? ” jest - zależy, czy przełącznik jest najbliższy + czy najbliższy - .
RedGrittyBrick
@ RedGrittyBrick, dokładnie to, który terminal ma przełącznik. Muszę zmniejszyć diagramy, aby post nie był tak zniechęcający, ale nie wiem, jak to zrobić. Chyba inni też mają problem. meta.electronics.stackexchange.com/questions/2716/…
travisbartley
1
To bardzo dobra odpowiedź (pozytywnie oceniany). Muszę cię naciskać, abyś poświęcił temu więcej czasu, ale może bardzo krótkie podsumowanie tekstowe twojego wniosku na początku może pomóc leniwym slobom takim jak ja. Jeśli naprawdę bardzo lubisz edytować diagramy, możesz znaleźć bardziej kompaktowy układ. Może po pierwszym schemacie kolejne diagramy mogłyby zostać rozłożone na poziomej linii od Batt + do Batt - Nie jestem pewien, czy to utrudniłoby zrozumienie i wymagałoby zbyt wielu dodatkowych wyjaśnień - powiedz czytelnikowi, że to zrobione dla rozstrzygnięcia? Tylko myśl.
RedGrittyBrick
2
@ trav1s prędkość elektronów nie ogranicza prędkości fal elektromagnetycznych. Mogę przyspieszać cząsteczki powietrza znacznie powyżej prędkości dźwięku; to nie przyspiesza prędkości dźwięku. Możliwe jest również, aby elektrony poruszały się szybciej niż prędkość fazowa światła w jakimś ośrodku, a kiedy to zrobisz, otrzymujesz naprawdę schludny niebieski blask . Prędkość elektronów ma niewiele wspólnego z prędkością światła.
Phil Frost
-1

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.

Jay Carlson
źródło
2
Wszystko oprócz jednego ma sens. Żarówki nie mają „wiedzy” na temat tego, czy cały obwód jest kompletny, tylko jeśli ich część jest, więc jeśli pole elektromagnetyczne jest w połowie drogi propagacji przez światła, to czy te, które minęły, nie zaświeciłyby, ponieważ pomyśleliby, że pole elektromagnetyczne rozprzestrzeniło się?
Tom
2
Wszystkie żarówki nie zapalą się w tym samym czasie, nawet przy idealnym zerowym obwodzie i zerowej indukcyjności. Gdy pole elektromagnetyczne się rozchodzi, ładunek elektryczny porusza się, co spowoduje zaświecenie żarówek, nawet jeśli propagacja nie zostanie wykonana.
Phil Frost