Яким способом електроенергія живить ланцюг?

Працюючи з деякими ланцюгами цього літа, я зіткнувся з тим, що всі зрештою роблять: Струм тече від + до - незважаючи на те, що електрони течуть (ну, наштовхуючись на інший) від - до +. Я розумію історичну основу для цього, але для мене це питання:

Якщо я наніс довільно велику кількість ламп розжарювання на двох напрямках на дроті довжиною, скажімо, 10 світлових секунд, і підключив його до досить потужної батареї, що буде? Чи засвітилися б усі лампочки відразу? Чи загорілися б вони від + до -, від - до +? Спасибі заздалегідь. Це мене справді клопоче.

Коротка відповідь

Спочатку засвітиться лампа, що знаходиться найближче до клемми, що закривається. Якщо обидва клеми перемикаються закритими одночасно, а ланцюг спочатку заряджається посеред потенціалу живлення та заземлення, спочатку загоряться лампи на кінцях струн. Неможливо, щоб лампа посередині загорілася спочатку. Прочитайте далі для пояснення того, чому.

Постановка проблеми

Скажімо, у нас є два лампи, підключені послідовно до джерела напруги. Відстань від ламп одна до одної і до джерела напруги настільки велика, що затримка, необхідна для поширення заряду, помітна.

Припустимо, у кожної лампи є детектор з нескінченною точністю часу та нескінченною точністю яскравості. Крім того, давайте припустимо, що освітленість кожної лампочки прямо пропорційна напрузі на її клемах, тому навіть якщо є напруга мінусу, буде утворюватися мінусовий світло. Ця тестова установка підкаже нам, яка лампа спочатку горить.

Корисно викинути концепцію, що дроти та компоненти поводяться ідеально. Ми будемо моделювати дроти як лінії електропередачі . У цьому випадку виникає хвиля напруги, починаючи з останнього підключеного терміналу. Давайте розглянемо кожен випадок. Відносні напруги представлені + і -. Отже, від високої напруги до низької напруги порядок становить +++, ++, +, -, -, ---.

Випадок 1: спочатку підключений заземлення

У цьому випадку вузли ланцюга спочатку заряджаються на заземлення.

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Коли джерело живлення підключено, хвиля напруги починається від клеми живлення, оскільки електрони занурюються джерелом живлення. LAMP1 є першим, який має різницю напруги поперек, тому він першим загориться.

^{моделювати цю схему}

Після того, як хвиля напруги дістанеться до земної клеми, її частина може відображатися назад і рухатись у зворотному напрямку (див. Дзвінок ). Якщо припустити, що абсолютне значення коефіцієнта відбиття менше 1, то хвиля з часом зникне через нескінченний час, і ланцюг стабілізується до постійної напруги на кожному вузлі ланцюга. На практиці хвиля повинна згасати, щоб мати незначний ефект майже миттєво.

^{моделювати цю схему}

Випадок 2: спочатку підключено живлення

У цьому випадку вузли ланцюга спочатку заряджаються на напругу живлення.

^{моделювати цю схему}

Коли земля підключена, хвиля напруги починається від заземлюючого клеми, коли електрони виводяться з землі. LAMP2 є першим, який має різницю напруги поперек, тому він засвітиться першим.

^{моделювати цю схему}

Після того, як хвиля напруги досягне терміналу живлення, знову її частина може відображатися назад і рухатись у зворотному напрямку, перш ніж ланцюг стабілізується до постійних напруг на кожному вузлі.

^{моделювати цю схему}

Випадок 3: обидва термінали підключені одночасно

Власне, цей випадок залежить від початкової напруги ланцюга. Якщо він знаходиться між напругою живлення та землею, хвиля напруги від джерела живлення витягне (затопить) електрони з ланцюга, тоді як хвиля напруги від землі виштовхне (джерела) електрони в ланцюг. Підсумовуючи, це поєднання двох попередніх випадків з двома хвилями, що рухаються в протилежних напрямках.

Яка лампа вмикається першою?

З інтуїції з діаграм ми знаємо, що ближче до вимикача спочатку засвітиться лампочка. Фари можуть перемикатися з вимкненим на або вмикатися, або вони можуть мерехтіти і вимикатись, коли хвилі напруги відбиваються вперед і назад по ланцюгу. Вони можуть перемикатися поступово або дуже різко. Поведінка залежить від опору загальної схеми. Це визначатиме різкість хвиль напруги (поступове проти різкого перемикання), а також кількість та інтенсивність віддзеркалень (мерехтіння).

Ви можете потрапити в рівняння Максвелла і теорію ліній електропередачі і зрозуміти, яке саме світло буде включатися на якій фемптосекунді і отримати надто педантичний характер. Але навіщо витрачати роки, щоб відповісти на це запитання, коли за декілька хвилин можна просто отримати інтуїцію? Все , що вам потрібно знати , що напруга, як електрична різниця потенціалів, рухається в хвилі ! Це все, що потрібно знати!

Припустимо, що провідник без втрат не має ємності / індуктивності : електрони не рухаються з нескінченною швидкістю, тому цілком справедливо уявити, як перевертати перемикач, як повільно викликати хвилю енергії, яка рухається вниз по дроту; однак, оскільки лампочки світяться, коли протікає струм, і оскільки струм тече лише після того, як електрони почнуть рухатися, світло не загориться до повного розповсюдження поля ЕМ. Усі лампочки загорятимуться одночасно.

Однак! Ця ідеальна модель - фігня. Насправді ваші дроти мають ємність та індуктивність; це вплине на ланцюг. Уявіть, що лампочки проводяться паралельно. У цьому випадку, коли ви перемкнете перемикач (який можна встановити як з позитивної, так і з негативної сторони, першою увімкнеться лампочка, що знаходиться найближче до вимикача).