In che modo l'elettricità alimenta un circuito?

Lavorando con alcuni circuiti quest'estate, mi sono imbattuto in quello che alla fine fanno tutti: la corrente scorre da + a - nonostante gli elettroni scorrano (bene, si scontrano) da - a +. Capisco lo sfondo storico per questo, ma per me che solleva questa domanda:

Se accendessi un numero arbitrariamente elevato di lampadine a incandescenza bidirezionali su un filo della durata di 10 secondi luce, e lo collegassi a una batteria sufficientemente potente, cosa accadrebbe? Le lampadine si accenderebbero tutte in una volta? Si accendono da + a -, da - a +? Grazie in anticipo. Questo mi ha davvero infastidito.

power-supply current analog

— Tom
fonte

Come viene collegata la batteria? è già collegato a uno dei terminali della batteria e si collegherebbe semplicemente l'altro lato o entrambi i cavi verrebbero collegati contemporaneamente alla pastella?

— Gorloth,

Non ci avevo pensato, né so se avrebbe fatto la differenza. Diciamo che lo fai tre volte, prima positivo poi negativo, poi negativo positivo, quindi entrambi allo stesso tempo.

— Tom,

Penserei che quando si dispone di un circuito molto lungo (10 secondi luce) con un cavo collegato alla batteria, si mette il circuito a quel potenziale, quindi il collegamento dell'altro cavo causerebbe un impulso lungo il filo, roba della linea di trasmissione e tutto (Penso che si applichi in questa situazione)

— Gorloth l'

Dove ti trovi rispetto alle luci? Se sei a 10 secondi luce dalla luce più lontana e si accende per prima, potresti vedere tutte le luci

— accendersi

@Gorloth, sì, sarà un'onda di tensione a partire dall'ultimo terminale collegato. La teoria della linea di trasmissione si applica qui.

— Travisbartley,

Risposta breve

La spia più vicina al terminale che viene chiuso si accenderà per prima. Se entrambi i terminali vengono chiusi simultaneamente e il circuito viene inizialmente caricato nel mezzo dell'alimentazione e dei potenziali di terra, le lampade alle estremità delle stringhe si accenderanno per prime. È impossibile accendere prima una lampada nel mezzo. Continua a leggere per una spiegazione del perché.

Dichiarazione problema

Supponiamo di avere due lampade collegate in serie a una sorgente di tensione. La distanza tra le lampade e la sorgente di tensione è così grande che si nota il ritardo necessario per la propagazione della carica.

Supponiamo di avere un rilevatore per ogni lampada con precisione temporale infinita e precisione di luminanza infinita. Inoltre, supponiamo che la luminanza di ogni lampadina sia direttamente proporzionale alla tensione attraverso i suoi terminali, quindi anche se c'è una tensione minuscola, verrà generata una luce minuscola. Questa configurazione di prova ci dirà quali lampadine si accendono prima.

È utile gettare via l'idea che fili e componenti si comportino in modo ideale. Modelleremo i fili come linee di trasmissione . In questo caso, ci sarà un'onda di tensione a partire dall'ultimo terminale collegato. Diamo un'occhiata a ciascun caso. Le tensioni relative sono rappresentate con + e -. Quindi da alta tensione a bassa tensione l'ordine è +++, ++, +, -, -, ---.

Caso 1: terra collegata inizialmente

In questo caso, i nodi del circuito vengono inizialmente caricati alla tensione di terra.

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Quando l'alimentatore è collegato, un'onda di tensione inizia dal terminale di alimentazione mentre gli elettroni vengono affondati dall'alimentatore. LAMP1 è il primo ad avere una differenza di tensione attraverso di esso, quindi si accenderà per primo.

schematico

^{simula questo circuito}

Una volta che l'onda di tensione ha raggiunto il terminale di terra, una parte di essa può riflettere indietro e spostarsi nella direzione opposta (vedere la suoneria ). Supponendo che il valore assoluto del coefficiente di riflessione sia inferiore a 1, l'onda alla fine scomparirà dopo un tempo infinito e il circuito si stabilizzerà a una tensione costante su ciascun nodo del circuito. In pratica, l'onda dovrebbe decadere per avere un effetto trascurabile quasi istantaneamente.

schematico

^{simula questo circuito}

Caso 2: alimentazione collegata inizialmente

In questo caso, i nodi del circuito vengono inizialmente caricati alla tensione di alimentazione.

schematico

^{simula questo circuito}

Quando la terra è collegata, un'onda di tensione inizia dal terminale di terra quando gli elettroni provengono da terra. LAMP2 è il primo ad avere una differenza di tensione, quindi si accenderà per primo.

schematico

^{simula questo circuito}

Una volta che l'onda di tensione ha raggiunto il terminale di alimentazione, una parte di essa può riflettere indietro e viaggiare nella direzione opposta prima che il circuito si stabilizzi a tensioni costanti su ciascun nodo.

schematico

^{simula questo circuito}

Caso 3: entrambi i terminali collegati contemporaneamente

In realtà, questo caso dipende dalla tensione iniziale del circuito. Se si trova tra la tensione di alimentazione e la terra, un'onda di tensione dall'alimentatore estrarrà (affonderà) gli elettroni dal circuito, mentre un'onda di tensione da terra spingerà gli elettroni (sorgente) nel circuito. In sintesi, è una combinazione dei due casi precedenti, con due onde che viaggiano in direzioni opposte.

Quale lampada si accende per prima?

Dall'intuizione dei diagrammi, sappiamo che la lampadina più vicina all'interruttore si accenderà per prima. Le luci potrebbero accendersi e spegnersi solo una volta, oppure potrebbero lampeggiare e spegnersi mentre le onde di tensione si riflettono avanti e indietro attraverso il circuito. Possono cambiare gradualmente o molto bruscamente. Il comportamento dipende dall'impedenza dell'intero circuito. Ciò determinerà la nitidezza delle onde di tensione (commutazione graduale vs. brusca) nonché il numero e l'intensità dei riflessi (sfarfallio).

Potresti entrare nelle equazioni di Maxwell e nella teoria della linea di trasmissione e capire esattamente quale luce si accenderebbe in quale secondo tempo e diventare super pedante al riguardo. Ma perché spendere anni per rispondere a questa domanda, quando puoi ottenere l'intuizione in pochi minuti? Tutto quello che devi sapere è che la tensione, come differenza di potenziale elettrico, viaggia in un'onda ! È tutto ciò che ti serve sapere!

— travisbartley
fonte

@RedGrittyBrick, questo è il documento che ho tenuto presente mentre scrivevo questo. Mostra come un'onda di tensione si propaga attraverso la linea di trasmissione. Sono sicuro che altri effetti rendono la realtà deviare anche dalla teoria delle linee di trasmissione, ma il modello dovrebbe essere abbastanza buono per rispondere a questa domanda. web.cecs.pdx.edu/~greenwd/xmsnLine_notes.pdf

— travisbartley

Ho letto male la tua risposta (perché sono pigro ed è lungo) quindi ho cancellato il mio commento precedente. Penso che la tua conclusione sia che quale lampada si illumina per prima dipende da quale lato della batteria (nel tuo diagramma) si trova l'interruttore, quindi la risposta alla Q dell'OP è che la risposta a "da + a -, [o] da - a +? " è - dipende se l'interruttore è il più vicino + o il più vicino - .

— RedGrittyBrick

@RedGrittyBrick, esattamente, importa quale terminale ha l'interruttore. Devo ridurre i diagrammi in modo che il post non sia così scoraggiante, ma non so come farlo. Immagino che anche altre persone abbiano il problema. meta.electronics.stackexchange.com/questions/2716/…

— travisbartley

È un'ottima risposta (votata). Non voglio insistere per farci più tempo, ma forse un breve riassunto testuale delle tue conclusioni all'inizio potrebbe aiutare gli slogan pigri come me. Se ami davvero molto l'editing dei diagrammi potresti trovare un layout più compatto. Forse dopo il primo diagramma, i seguenti diagrammi potrebbero essere spiegati su una linea orizzontale da Batt + a Batt- Non sono sicuro che ciò ostacolerebbe la comprensione e richiederebbe troppe spiegazioni extra - dire al lettore che è stato fatto per la concisione? Solo un pensiero.

— RedGrittyBrick

@ trav1s la velocità degli elettroni non limita la velocità delle onde EM. Posso accelerare le particelle di aria ben oltre la velocità del suono; questo non rende la velocità del suono più veloce. È anche possibile far andare gli elettroni più velocemente della velocità di fase della luce in un mezzo, e quando lo fai, ottieni un bagliore blu davvero pulito . La velocità degli elettroni ha poco a che fare con la velocità della luce.

— Phil Frost,

-1

Assumi un conduttore senza perdita senza capacità / induttanza : gli elettroni non si muovono a velocità infinita, quindi è perfettamente valido immaginare di far girare un interruttore inducendo lentamente un'onda di energia che viaggia lungo il filo; tuttavia, poiché le lampadine si accendono quando la corrente scorre e poiché la corrente scorre solo quando gli elettroni iniziano a muoversi, le luci non si accendono fino a quando il campo EM non si è propagato completamente. Tutte le lampadine si accenderanno contemporaneamente.

Tuttavia! Quel modello ideale è una cazzata. In realtà, i tuoi fili hanno capacità e induttanza; questi influenzeranno il circuito. Immagina che le lampadine siano cablate in parallelo. In questo caso, quando si gira l'interruttore (che può essere installato sul lato positivo o negativo, la lampadina più vicina all'interruttore si accenderà per prima.

— Jay Carlson
fonte

Tutto tranne una cosa ha senso. Le lampadine non hanno "conoscenza" del fatto che l'intero circuito sia completo o meno, solo se la loro parte lo è, quindi se il campo EM è fatto a metà strada propagandosi attraverso le luci, allora quelli che erano passati non si accendono, come penserebbero che il campo EM si fosse propagato?

— Tom,

Tutte le lampadine non si accendono contemporaneamente, anche con un circuito ideale, a capacità zero, a induttanza zero. Mentre il campo EM si sta propagando, la carica elettrica si sta muovendo e questo accenderà le lampadine, anche se non si è propagato.

— Phil Frost,