Як струм знає, скільки потрібно протікати, перш ніж побачити резистор?

Як наведені нижче схеми:

і

Як течія буде Iзнати, скільки протікати? Чи хотіла б будь-яка інша хвиля спочатку в ланцюзі, а потім повернулася і сказала, що стільки струму має протікати?

Не впевнений, що про це ви запитуєте, але так, коли підключений акумулятор, електрична польова хвиля рухається від акумулятора вниз по дротах до навантаження. Частина електричної енергії поглинається навантаженням (залежно від закону Ома), а інша частина відбивається від навантаження і повертається назад до акумулятора, частина поглинається акумулятором (знову закон Ома), а частина відбивається від акумулятора, Зрештою, комбінація всіх відмов досягає стабільного стаціонарного значення, якого б ви очікували.

Ми зазвичай не думаємо про це так, бо в більшості схем це відбувається занадто швидко, щоб виміряти. Однак для довгих ліній електропередачі це вимірювально і важливо. Ні, струм не "знає", яке навантаження, поки хвиля не досягне його. До цього часу він знає лише характерний опір або "імпеданс напруги" самих проводів. Він ще не знає, чи є другий кінець короткого замикання чи розірваного ланцюга чи якийсь імпеданс між ними. Тільки коли відбита хвиля повертається, вона може «знати», що знаходиться на іншому кінці.

Див. Приклад відображення ланцюга та ефекти ліній передачі у високошвидкісних логічних системах на прикладі діаграм решіток та графік того, як напруга змінюється за кроки з часом.

І якщо ви цього не розумієте, у першому ланцюзі струм рівний у кожній точці ланцюга. Схема - це як петля трубопроводу, вся наповнена водою. Якщо ви змусили воду текти з насосом в одній точці, вода в кожній іншій точці петлі повинна текти з однаковою швидкістю.

Хвилі електричного поля, про які я говорю, аналогічні хвилям тиску / звуку, що рухаються через воду в трубі. При переміщенні води в одній точці труби вода на іншому кінці труб не змінюється миттєво; збурення має поширюватися через воду зі швидкістю звуку, поки не досягне іншого кінця.

Оскільки ця теорія висвітлена, я піду з грубою аналогією (сподіваюся, я розумію, що ви правильно запитуєте, це не так зрозуміло)

У будь-якому випадку, якщо ви уявляєте насос (акумулятор), кілька труб, наповнених водою (дроти), і ділянку, де труба звужується (резистор)
Вода завжди є, але коли ви запускаєте насос, він створює тиск (напруга) ) і робить потік води навколо контуру (струму). Звуження труби (резистора) обмежує потік (струм) на певну величину і спричиняє падіння тиску по ньому (напруга через резистор, в цьому випадку дорівнює батареї)

З другого контуру (два резистори паралельно) цілком зрозуміло, що однакова кількість струму, що надходить у верхній перехід, повинна витікати з нижнього з'єднання (див. Кірхофф) Якщо резистори однакові, то вони поділять струм однаково. це може бути, як одна велика труба (дріт), що розщеплюється на дві вужчі труби (резистори), а потім знову зливається в одну велику трубу. Якщо вони нерівні, то один займе більше потоку (струму), ніж інший, але загальний вихід завжди додаватиметься до загальної величини в.

Ви можете задати те саме питання з аналогією води - як вода "знає", скільки тече? Тому що це обмежено шириною труб і тиском насосів.

EDIT - Здається, питання, яке задають, дещо інше, ніж я передбачав спочатку. Проблема полягає в тому, що є кілька різних відповідей (як ви бачите) на різних рівнях абстракції, наприклад, від закону Ома до Максвелла до квантової фізики. На індивідуальному рівні електронів, я думаю, у вас можуть виникнути проблеми через подвійність хвиль частинок і подвійний шлях (див. Експеримент з подвійною щілиною з фотоном), згаданий Маєнко.
Зауважте, що причина, про яку я говорив вище, що "вода завжди є", полягає в тому, що самі електрони не протікають зі швидкістю світла ~ 2/3 навколо кола, а енергія з одного поширюється на інший (подібний) і так далі. Трохи схожі на кулі, що підстрибують навмання навмання та одна з одною, із загальною середньою тенденцією підстрибувати у напрямку прикладеного потенціалу. Простіший спосіб подумати про це - як лінія кульок снукера - якщо ви вдарите білу кульку в один кінець, енергія буде "передаватися" через усі кулі (вони насправді не змінять положення), а потім куля в другий кінець відірветься.
У мене є відчуття, що квантове пояснення може мати щось подібне: ми можемо лише передбачити ймовірність що окремий електрон буде "обирати" один шлях (або опинитися в одній конкретній області), але процес не був би спостережуваним безпосередньо (тобто теоретична фізика)

Так чи інакше, я вважаю це відмінним питанням і потребує гарної відповіді (спробую вдосконалити цю, якщо дозволяє час), хоча на найнижчому рівні краще розібратися на фізичному стеку.

Спочатку течія насправді не знає. Якщо припустити великий перемикач мультфільмів у лінії, коли він відкритий, це представляє величезний опір. (Ємний) заряд накопичується по обидві сторони від нього; конкретно, електронам переповнюють негативний термінал, а позитивному терміналу не вистачає такої ж кількості електронів від нормального (заряд зображення). Струмовий потік незначний (fA *), тому потенційного падіння через резистор немає. Електрони не мають руху чи потоку в мережі, тому що електростатичне відштовхування від сусідів, включаючи велику кучу на комутаторі, дорівнює силі зсуву зовнішнього електричного поля.

Коли перемикач вперше замикається, зайві електрони поблизу перемикача замикаються на інший контакт, заповнюючи заряд зображення. Тепер, коли немає великої куки хуліганних електронів, які відмовляються рухатись і відштовхуватися назад, решта йдуть балістично ^{_{(так! Насправді , хоча)}} і починають прошивати ланцюг.

Ті, що знаходяться в резисторі і біля нього, зустрічають ... опір (давай; довелося) . Вільних електронів чи майданчиків майже не так багато, тому, на відміну від дуже великого опору, представленого раніше комутатором, заряд накопичується на будь-якому кінці, коли нетерплячі гадюки тупляться за місцем у черзі. Він продовжує наростати, поки не буде досягнуто рівноваги: ​​електростатичне поле з купи електронів, які чекають пройти через резистор, дорівнює зміщенню зовнішнього електричного поля.

У цей момент струм знає, скільки потрібно протікати, і не зміниться [, поки ви не зрозумієте, що замість 1,3-Ом ставите резистор 1,3 Ом, і він знову смажить і відкриває ланцюги].

Якби спочатку джерело було повністю видалено з системи, початковий ємнісний заряд не був би. Миттєвий зв’язок із джерелом (перемикач DPST) призведе до того, що електричне поле, що розповсюджується по дроту поблизу c , прискорює та перетягує електрони разом із ним, і призводить до того ж скупчення на резисторах типу «футбол-стадіон». У випадку з паралельними резисторами двері зазначеного стадіону можуть бути різної ширини, тому струми рівноваги будуть відрізнятися.

Як течія в дельті річки "знає", яку гілку взяти? "Струм" у кожному випадку означає сукупний потік молекул води або електронів, тому спочатку замініть питання на "Як кожен електрон (або молекула) знає, яким шляхом рухатися"? Це не так; воно просто занести в місцевий потік, і на мікро- або атомному рівні займе місце відступаючого прямо перед ним. Отже, що відбувається прямо в точці розбіжності? Нашим макро очам напрямок, який він робить, є випадковим, розподіленим як відношення (-ів) струмів гілки. На самому низькому рівні деякі крихітні збурення будуть підштовхувати його так чи інакше.

(Дуже приблизний опис / аналогії, я знаю - пробачте припущенні неточності.)

"Знання", скільки протікати, передбачає знання, що передбачає інтелект.

Струм не розумний і не тече сам по собі. Струм витягується, або «втягується» вантажем - в цьому випадку резистори.

Кількість струму, яке навантажує, визначається Законом Ома:

$I=\dfrac{V}{R}$

У першій схемі досить просто прорахувати.

Другий контур трохи складніший. Обчислити досить просто, якщо ви можете обчислити загальний опір:$I_S$

$\dfrac{1}{R_T} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}$

або

$R_T = \dfrac{R_1 \times R_2}{R_1 + R_2}$

Кількість струму, що протікає через кожен опір, визначається співвідношенням двох резисторів. Якщо резистори однакові, то рівно половина струму буде протікати через кожен. Якщо вдвічі більше , то третина струму буде протікати через , а дві третини через (зверніть увагу, що коефіцієнт струму протилежний співвідношенню опору).R 2 R 1 R $R_1$$R_2$$R_1$$R_2$

Власне, струм не знає, скільки текти при t = 0.

Кожен резистор має деяку ємність, оскільки складається з провідних сторін, розділених ізолятором (навіть не ідеальний). Через цю ємність при t = 0 струм мчить настільки, наскільки може живити джерело живлення. Потім через деякий час він сповільнюється до нормального значення. Кожен практичний резистор може моделюватися паралельно резистору та конденсатору. Отже, ваш перший ланцюг насправді є паралельним ланцюгом RC.

Також не забувайте, що поле E (електричне поле) створює поле B (магнітне поле), і навпаки. Коли ви подаєте напругу на резистор, ви робите це створення електричного поля всередині резистора. Що викликає зміну стану електричного поля (ви піднімаєте електричне поле з нуля до ненульового значення). Зміна електричного поля створює магнітне поле і воно, нарешті, створює потік струму.

Для отримання додаткової інформації зверніться до рівнянь Максвелла .

Як поточний знає? Це відомо завдяки статистичній механіці (із залученим Больцманом і пізніше Фермі-Діраком, а пізніше Максвеллом), коли ферміони (електрони) при певній температурі, як правило, займають об'єм провідника (металу), коли електрони летять вільно, як частинки ідеального газу, і відскакують проти атомів. Швидкість (енергія) окремих частинок становить близько 1 км милі в секунду (менше швидкості світла), швидкість дрейфу - кілька міліметрів в секунду (див. Wiki "швидкість дрейфу"). Середня відстань вільного прольоту електронів визначає "провідність". Для спостереження за потоком електронів поведінка електронів буде виглядати як схильність частинок до збереження "електронейтральності", коли кожна локальна частина провідника містить приблизно рівну кількість електронів і протонів. Електрони заряджаються, тому вони застосовують відштовхуючу силу один до одного. Залучення сили, швидкості та маси з часом означає, що існують віртуальні фотони, що випромінюються та поглинаються під час прискорення та уповільнення електронів. Цей фотон поширюється набагато швидше, ніж частинки, і створює "тиск". Залежно від матеріалу швидкість напірної стінки близька до швидкості світла. Його можна назвати "хвилею". Решту історії краще пояснити Ендоліт вище.

Цифри міді при кімнатній температурі можна побачити в цій статті .

TLDR: Ідеальний електронний газ зі статистичною механікою-> Больцман-> Фермі-Дірак-> Максвелл-> Ом

Ніхто не згадав про те, що всі схеми приймають так звану модель згущених елементів .

У схематичній схемі провід не є дротом у здоровому розумінні, це спрощує взаємозв'язок між вузлами. Якби ви хотіли поетапно описати те, що відбувається зі струмом (або що він "відчуває") по дроту, вам доведеться намалювати нескінченну серію пасивних елементів.

Найкраща аналогія, яка допомогла мені зрозуміти це дуже швидко і просто, я вже десь зустрічався в Інтернеті, але наразі не можу вказати на джерело. Якщо хтось знає, де це, дайте мені знати, щоб це можна було включити. Аналогія дуже коротка, і це буде дуже коротка відповідь. Жодних формул. Таким чином, це щось ненаукове, але є елегантною аналогією і дійсно легко уявити і зрозуміти людині.

Більшість людей уявляють собі прості схеми, подібні до прикладів, як порожня трубка або труба, наповнена водою. Частково це пов'язано з аналогією плодовитості води.

Насправді це набагато більше схоже на трубочку, наповнену суцільними кульками, як труба для боулінгу. Ця трубка заповнена кульками в рядку від кінця до кінця, і між ними немає проміжків. Коли ви натискаєте на кулю в один кінець, всі кулі проїжджають однакову відстань .

Цей рух - це струм електронів і сила, необхідна для переміщення кульок, є прикладеною напругою.

Іншим джерелом плутанини є речення "найменшого шляху опору". Хтось може уявити собі людину на перехресті, яка обирає 1 з 3 можливих шляхів. Коли людина пішла шляхом, то всі люди йдуть цим шляхом, і саме таким чином НЕ ПЛАТИМ . Натомість струм буде «розщеплюватися» і текти в усіх можливих напрямках, але пропорційно до опору цими шляхами. Іноді опір настільки високий, що поточна кількість настільки мала, що вигідно знехтувати для спрощення.

Ваше запитання трохи недосвідчене, і я не бачу, як хвилі мають щось до цього. Однак основний закон Ома легко пояснити у вашому прикладі. Обидва резистори мають напругу поперек них. Це означає, що струм через них буде . Конкретно$V_S$$\frac{V_S}{R}$

$I_1 = \dfrac{V_S}{R_1}$

$I_2 = \dfrac{V_S}{R_2}$

$I_S$ - це лише сума двох струмів через резистори:

$I_S = I_1 + I_2$

Ви можете отримати іншим способом, розглядаючи паралельний опір і паралельно.$I_S$$R_1$$R_2$

Загалом:$R_1 || R_2 || ... R_n = \dfrac{1}{(\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} + ... \dfrac{1}{R_n})}$

$R_1 || R_2 = \dfrac{1}{\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}} = \dfrac{R_1 \times R_2}{R_1 + R_2}$

Знову використовуючи закон Ома, прямо вичислимо:

$I_S = \dfrac{V_S}{R_1 || R_2} = V_S \times \dfrac{R_1 + R_2}{R_1 \times R_2}$

Зауважте, що це та сама відповідь, що і вище, де ми обчислювали струм через кожен резистор і додавали їх, щоб отримати :$I_S$

$I_S = I_1 + I_2$

$I_S = \dfrac{V_S}{R_1} + \dfrac{V_S}{R_2} = V_S \times \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} = V_S \times \dfrac{R_1 + R_2}{R_1 \times R_2} = V_S \times (R_1 || R_2)$

Насправді хвилі мають багато спільного з цим, поки не буде досягнуто стійкого стану. Спочатку навіть найпростіша схема з акумулятора, вимикача, проводу та резистора - це лінія електропередачі, оточена електромагнітними хвилями, і для розуміння потрібен перехідний аналіз. Цей перехідний аналіз дасть відповідь на початкове запитання в цьому блозі, якщо я розумію питання ... Навіть батарея є складною, і спочатку, поки не буде досягнуто стабільного стану, потрібен аналіз, який керується maxwells eqn та інше. У минулі роки DC101 спочатку навчали, використовуючи аналогію води в трубах і т. Д. Аналогії проводили і для індуктивності, і для ємності. Це чудовий спосіб допомогти комусь зрозуміти DC, якщо у вас є п’ять хвилин, щоб викладати їм це, і закон Ом - настільки, наскільки ви візьмете свого учня.

Це як автомобільна дорога, повна автомобілів, де автотраса є провідником, а машини - електронами. Якщо попереду будуть дорожні роботи, що обмежують автомобільну дорогу від трьох до однієї смуги руху, всі смуги сповільнюються, а машини на відстані 20 миль позаду також не зможуть їхати швидше на три смуги, оскільки автомобілі попереду їх не пустять.