Velocità dell'elettricità e trasferimento dei dati

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Ho letto in alcuni punti che l'elettricità è molto lenta. Allora come può il traffico Internet sui fili di rame essere così veloce? Penso di avere un grande divario di conoscenze sulla struttura di trasferimento dei dati di basso livello. Comunque, l'ho cercato e non sono riuscito a trovarlo, quindi?

networking low-level infrastructure

— Delison
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Questa non è affatto una risposta, e io non sono un professore di fisica, ma v'è una interessante discussione sui costi di elettricità qui che possono essere utili a voi. E come nota di interesse, controlla alcuni adattatori ethernet "powerline": ti consentono di condividere Ethernet gigabit attraverso la rete elettrica in casa / ufficio, ecc., Alla massima velocità gigabit. Non riesco a pensare a un buon modo per confrontare le velocità dei due, ma forse c'è qualcuno qui che può spiegare i concetti coinvolti.

— Josh,

Ho questo concetto, ma il problema che non riesco a immaginare è: quando si trasmettono dati, non si desidera trasmettere 1 e 0 specifici? o questo è ancora più basso livello di quello? Perché se no, come si può specificare ciò che si sta trasmettendo?

— Delison,

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Elettroni deriva attraverso fili molto lentamente, ma il segnale (o energia) si propagano vicino alla velocità della luce.

— sblair,

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@Delison - non esiste qualcosa come la trasmissione di 1 e 0; si tratta di interpretare qualcosa che viene trasmesso. Se si varia la corrente su un filo, e abbiamo concordato in anticipo che qualsiasi cosa su X volt sarà considerata un 1 e qualsiasi cosa sotto Y volt un 0, è il nostro standard di interpretazione reciproco (aka "protocollo") per un analogo , cosa del mondo reale che crea informazioni binarie. Potremmo anche gettare bastoni su un muro e misurarli; qualcosa di più lungo di 10 cm sarebbe un 1; più piccolo sarebbe uno 0. I dati binari vengono interpretati, non inviati o archiviati.

— Nathan Long,

Vedi anche: programmers.stackexchange.com/a/132705/7217

— Nathan Long

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L'elettricità nei fili è essenzialmente il movimento di portatori di carica come gli elettroni. Questi si muovono molto lentamente.

Tuttavia, una variazione di tensione a un'estremità di un filo provoca quasi istantaneamente una corrispondente modifica all'altra estremità del filo.

Pensa a un tubo molto lungo, se il tubo è vuoto quando si apre il rubinetto, potrebbero essere necessari alcuni secondi prima che il tubo si riempia di acqua prima che inizi a uscire dall'altra estremità. Se il tubo è già pieno d'acqua, la chiusura del rubinetto forzerà immediatamente l'acqua dall'estremità opposta.

La tensione è approssimativamente analoga alla pressione. Un cambiamento nella pressione dell'acqua può essere trasmesso attraverso un tubo pieno d'acqua più velocemente di quanto l'acqua si muova.

— RedGrittyBrick
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Tutti sanno che Internet è una serie di "Tubi", non fili, lol .... en.wikipedia.org/wiki/Series_of_tubes

— Moab

Heh, Tubes ... Non c'è da meravigliarsi se abbiamo perdite di informazioni e, come qualsiasi idraulico ti dirà, il concetto più importante è "Stuff Runs Downhill".

— Fiasco Labs,

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+1. Inoltre, le onde sonore sono simili: un'onda sonora si muove attraverso l'aria a circa 343 metri al secondo. Se l'aria stessa si fosse mossa così velocemente, ti avrebbe spazzato via; invece, le molecole d'aria si scontrano, una dopo l'altra, trasmettendo energia da una all'altra a quella velocità, mentre ogni singola molecola rimane per lo più messa.

— Nathan Long,

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In realtà ho scritto un post sul blog su questa esatta domanda qualche anno fa.

Fondamentalmente, sebbene i singoli elettroni si muovano solo di pochi millimetri al secondo, il "segnale" del loro sbattere l'uno contro l'altro si muove molto più velocemente di quello (una grande frazione della velocità della luce) .

elettroni che si urtano l'un l'altro attraverso un tubo

Nota come le palle entrano nel tubo molto lentamente, ma il "segnale" che una palla è entrata (la forza che si propaga lungo il tubo) si muove molto più velocemente di quello. Gli elettroni che si muovono in un filo funzionano in modo molto simile.

— BlueRaja - Danny Pflughoeft
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La velocità con cui gli elettroni si muovono in un conduttore è relativamente lenta, ma le informazioni vengono trasportate su coppie di conduttori o nell'aria per mezzo di onde di elettricità, e queste onde viaggiano molto velocemente: alla velocità della luce nel vuoto o a circa 2/3 di quello in un cavo coassiale.

Se prendi una corda, attacca un'estremità a qualcosa o fai in modo che un amico la tenga, quindi capovolgi rapidamente l'estremità della corda su e giù, inducerai un'onda nella corda che viaggia rapidamente dall'estremità all'altra estremità. Tuttavia, le particelle di corda non si muovono molto velocemente.

Un altro esempio è un'onda oceanica. Uno tsunami viaggia a centinaia di miglia all'ora, ma l'acqua che trasporta l'onda non si muove così velocemente.

— garyjohn
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Nell'azione delle onde oceaniche, le particelle d'acqua viaggiano in un cerchio, vicino alla superficie, in cerchi più grandi, scendendo di diametro fino a raggiungere la massima profondità dell'onda (tsunami = profondità della colonna d'acqua eccitata dall'impulso sismico / geologico). Nell'elettricità, gli elettroni si muovono solo da un atomo a un altro nel conduttore, un movimento davvero molto piccolo, ma la cascata del movimento di elettroni si estende attraverso l'intero conduttore a una velocità quasi alla luce. In aria / vuoto le onde radio viaggiano come un campo elettrico e magnetico alternato accoppiato a una separazione di 90 gradi.

— Fiasco Labs,

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L'elettricità stessa viaggia attraverso i fili alla velocità della luce x fattore di velocità . Quindi un pezzo di cavo coassiale RG-58 economico con un fattore di velocità del 75% può trasmettere onde radio al 75% della velocità della luce.

La confusione arriva perché non usiamo solo la corrente CC per trasmettere informazioni, ma piuttosto una corrente alternata o una corrente alternata impressa su una tensione CC (modulazione) per farlo. Ogni mezzo di trasmissione utilizzato ha una frequenza massima alla quale opererà. Telegrafo che utilizza DC 5-50wpm commutati (un filo sospeso su pali con un ritorno di terra), una linea POTS standard può passare 4kHz (cavo rurale parallelo a 2 coppie con schermatura), una linea DSL vicino al DSLAM potrebbe passare 2MHz (coppia intrecciata da DSLAM), un cavo twisted pair CAT5 Ethernet da 100 MHz e così via. In genere, maggiore è la frequenza supportata dal mezzo di trasmissione, maggiore è il datarato che può essere passato attraverso di esso.

L'elettricità passa attraverso il cavo alla stessa velocità, ma la velocità di commutazione sempre più elevata trasporta sempre più informazioni.

In cima a questo concetto di utilizzo dell'elettricità per trasmettere informazioni c'è il tipo di modulazione utilizzata.

Da vicino, il semplice seriale ad onda quadra potrebbe funzionare bene. È disponibile in molti gusti. TTL utilizza uno spostamento di 0-5 volt, RS-232 utilizza un'oscillazione di tensione tra 3-15 Volt positivi e negativi. ecc ecc.

Per le linee telefoniche POTS, la trasmissione di un'onda quadra non funzionerebbe, le caratteristiche della linea la trasformano in un'onda sinusoidale, quindi vengono utilizzati vari schemi di modulazione come spostamento di ampiezza, spostamento di frequenza, sfasamento o una combinazione di questi utilizzati in QAM che può essere usato per aumentare il datarato da 150 pb a 56 kbp.

DSL opera a una frequenza molto più alta rispetto a POTS e utilizzando una tecnica di modulazione chiamata Multi-tone discreta, opera su più frequenze portanti (pensa alla banda AM radio e riceve tutte le stazioni contemporaneamente, ognuna delle quali trasporta un segnale dati e combinandole all'altra fine) usando la modulazione di spostamento di fase e ampiezza, raggiungendo un datarato di 1-7 Mbps.

Questo riguarda il circuito locale, quando entriamo nella spina dorsale di Internet iniziamo a usare cose come i supporti Digital Signal (DS) e Optical Carrier (OC) per spostare il traffico usando le tecniche PCM (Pulse Code Modulation) su più canali. Queste sono la vera parte digitale della rete. Ancora una volta il traffico si sposta a una velocità prossima alla luce, ma il datarate dipende dalla frequenza e dalla tecnica di modulazione utilizzata.

Addendum: gli elettroni si spostano da un atomo all'altro a distanza di un minuto. Il flusso di corrente che percepiamo come elettricità è una cascata quasi istantanea di elettroni che si spostano da un atomo all'altro lungo la lunghezza di un conduttore.

— Fiasco Labs
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-1 Non so perché questo abbia così tanti voti, dal momento 1.che leggerà come incomprensibile per chiunque abbia appena iniziato i loro studi elettrici e 2.non ha nulla a che fare con la domanda (perché il segnale si muove così velocemente se i portatori di carica si muovono così lentamente ) , fatta eccezione per l'addendum

— BlueRaja - Danny Pflughoeft

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L'addendum è sull'argomento ma è sbagliato. Nel rame (e altri metalli), gli elettroni di valenza (quelli che trasportano corrente) non sono legati agli atomi e non si spostano da un atomo all'altro. Invece, si muovono liberamente attraverso la struttura cristallina. Questa libertà è precisamente il motivo per cui i metalli conducono l'elettricità così bene. I materiali che si comportano come descritto (in cui gli elettroni devono saltare da un atomo all'altro) sono chiamati isolatori.

— MSalters,