Circuits en de snelheid van het licht

Stel dat we een eenvoudig circuit met één batterij en één lamp hadden, bestuurd door een schakelaar. Als de schakelaar gesloten is, gaat de lamp direct branden. Wanneer de schakelaar wordt geopend, wordt de lamp onmiddellijk donker:(figuur hieronder)

Lamp lijkt onmiddellijk te reageren op schakelaar.

In feite duurt het even voordat de gloeidraad van een gloeilamp is opgewarmd en licht uitstraalt nadat hij een elektrische stroom heeft ontvangen van voldoende sterkte om hem van stroom te voorzien, dus het effect is niet onmiddellijk. Waar ik me echter op wil concentreren, is de directheid van de elektrische stroom zelf, niet de responstijd van de lampgloeidraad.

Voor alle praktische doeleinden is het effect van de schakelactie direct op de locatie van de lamp. Hoewel elektrische ladingsdragers heel langzaam door draden bewegen, gebeurt het algehele effect van elektrische ladingsdragers die tegen elkaar duwen met de snelheid van het licht (ongeveer 186.000 mijl per seconde !).

Wat zou er echter gebeuren als de stroomdraden naar de lamp 186.000 mijl lang waren? Omdat we weten dat een elektrisch signaal een eindige snelheid heeft (zij het erg snel), zou een reeks zeer lange draden een tijdvertraging in het circuit moeten introduceren, waardoor de actie van de schakelaar op de lamp wordt vertraagd:(figuur hieronder)

Met de snelheid van het licht reageert de lamp na 1 seconde.

Ervan uitgaande dat er geen opwarmtijd voor de gloeidraad van de lamp is en er geen weerstand is langs de 372.000 mijl lange lengte van beide draden, zou de lamp ongeveer één seconde na het sluiten van de schakelaar oplichten.

Hoewel de constructie en werking van supergeleidende draden met een lengte van 372.000 mijl enorme praktische problemen zou opleveren, is het theoretisch mogelijk, en dus is dit 'gedachte-experiment' geldig. Wanneer de schakelaar weer wordt geopend, blijft de lamp nog een seconde stroom krijgen nadat de schakelaar is geopend, waarna hij stroomloos wordt.

Een manier om dit voor te stellen is om de elektrische ladingsdragers in een conducteur voor te stellen als treinwagons in een trein:aan elkaar gekoppeld met een kleine hoeveelheid "speling" of "speling" in de koppelingen. Wanneer een treinwagon (een elektrische ladingdrager) begint te bewegen, duwt hij op de wagen ervoor en trekt hij aan de wagen erachter, maar niet voordat de speling is opgeheven uit de koppelingen.

Beweging wordt dus van auto naar auto (van de ene elektrische ladingsdrager naar de andere) overgebracht met een maximale snelheid die wordt beperkt door de speling van de koppeling, wat resulteert in een veel snellere overdracht van beweging van het linker uiteinde van de trein (circuit) naar het rechter uiteinde dan de werkelijke snelheid van de auto's (elektrische ladingdragers):(figuur hieronder)

Beweging wordt achtereenvolgens van de ene auto naar de volgende verzonden.

Een andere analogie, die misschien beter past bij het onderwerp transmissielijnen, is die van golven in water. Stel dat een plat, muurvormig object plotseling horizontaal langs het wateroppervlak wordt bewogen om een ​​golf ervoor te produceren.

De golf zal reizen als watermoleculen tegen elkaar botsen, waardoor de golfbeweging veel sneller langs het wateroppervlak wordt overgedragen dan de watermoleculen zelf in werkelijkheid reizen:(figuur hieronder)

Golfbeweging in water.

Evenzo reist de bewegings-"koppeling" van de elektrische ladingsdragers ongeveer met de snelheid van het licht, hoewel de elektrische ladingsdragers zelf niet zo snel bewegen. In een zeer lang circuit zou deze "koppelingssnelheid" merkbaar worden voor een menselijke waarnemer in de vorm van een korte tijdsvertraging tussen schakelactie en lampactie.

BEOORDELING:

• In een elektrisch circuit reist de beweging "koppeling" van de elektrische ladingsdragers ongeveer met de lichtsnelheid, hoewel de elektrische ladingsdragers in de geleiders nergens in de buurt van die snelheid komen.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad karakteristieke impedantie