Cách nào điện năng một mạch điện?

Làm việc với một số mạch vào mùa hè này, tôi đã chạy theo những gì mọi người cuối cùng làm: Dòng điện chuyển từ + sang - mặc dù các electron đang chảy (tốt, va vào nhau) từ - đến +. Tôi hiểu nền tảng lịch sử cho điều này, nhưng đối với tôi đặt ra câu hỏi này:

Nếu tôi kéo một số lượng lớn bóng đèn sợi đốt hai chiều tùy ý trên một sợi dây có độ dài 10 giây, và nối nó với một pin đủ mạnh, chuyện gì sẽ xảy ra? Tất cả các bóng đèn sẽ sáng lên cùng một lúc? Họ sẽ sáng lên từ + đến -, từ - đến +? Cảm ơn bạn trước. Điều này đã thực sự làm tôi khó chịu.

Câu trả lời ngắn

Đèn gần thiết bị đầu cuối được đóng sẽ sáng trước. Nếu cả hai thiết bị đầu cuối được đóng đồng thời và mạch ban đầu được tích điện ở giữa điện thế và điện thế, đèn ở hai đầu dây sẽ sáng trước. Không thể để đèn ở giữa sáng lên trước. Đọc để được giải thích tại sao.

Báo cáo vấn đề

Nói rằng chúng ta có hai đèn được kết nối nối tiếp với một nguồn điện áp. Khoảng cách từ các đèn với nhau và đến nguồn điện áp lớn đến mức độ trễ cần thiết cho việc truyền điện tích là đáng chú ý.

Giả sử chúng ta có một máy dò ở mỗi đèn với độ chính xác thời gian vô hạn và độ chính xác độ chói vô hạn. Ngoài ra, giả sử độ chói của mỗi bóng đèn tỷ lệ thuận với điện áp trên các cực của nó, vì vậy ngay cả khi có điện áp cực tiểu, sẽ có một ánh sáng cực nhỏ được tạo ra. Thiết lập thử nghiệm này sẽ cho chúng ta biết bóng đèn nào đầu tiên.

Sẽ rất hữu ích khi vứt bỏ khái niệm rằng dây và các thành phần hoạt động theo một cách lý tưởng. Chúng tôi sẽ mô hình các dây như đường truyền . Trong trường hợp này, sẽ có một sóng điện áp bắt đầu từ thiết bị đầu cuối cuối cùng được kết nối. Hãy xem xét từng trường hợp. Điện áp tương đối được biểu diễn bằng + và -. Vì vậy, từ điện áp cao đến điện áp thấp, thứ tự là +++, ++, +, -, -, ---.

Trường hợp 1: nối đất ban đầu

Trong trường hợp này, các nút mạch được sạc vào điện áp đất ban đầu.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Khi nguồn điện được kết nối, một sóng điện áp bắt đầu từ cực nguồn của nguồn điện khi các electron bị chìm bởi nguồn điện. LAMP1 là người đầu tiên có sự chênh lệch điện áp trên nó, vì vậy nó sẽ sáng lên đầu tiên.

^{mô phỏng mạch này}

Khi sóng điện áp đã đến cực cuối mặt đất, một phần của nó có thể phản xạ trở lại và truyền theo hướng ngược lại (xem tiếng chuông ). Giả sử giá trị tuyệt đối của hệ số phản xạ nhỏ hơn 1, sóng cuối cùng sẽ biến mất sau một thời gian vô hạn và mạch sẽ ổn định thành điện áp không đổi tại mỗi nút của mạch. Trong thực tế, sóng nên phân rã để có hiệu ứng không đáng kể gần như ngay lập tức.

^{mô phỏng mạch này}

Trường hợp 2: nguồn kết nối ban đầu

Trong trường hợp này, các nút mạch được sạc vào điện áp nguồn ban đầu.

^{mô phỏng mạch này}

Khi nối đất, sóng điện áp bắt đầu từ cực nối đất vì các electron được lấy từ mặt đất. LAMP2 là người đầu tiên có sự chênh lệch điện áp trên nó, vì vậy nó sẽ sáng lên đầu tiên.

^{mô phỏng mạch này}

Khi sóng điện áp đã đến đầu cực nguồn, một lần nữa, một phần của nó có thể phản xạ trở lại và truyền theo hướng ngược lại trước khi mạch ổn định thành điện áp không đổi ở mỗi nút.

^{mô phỏng mạch này}

Trường hợp 3: cả hai thiết bị đầu cuối được kết nối đồng thời

Trên thực tế, trường hợp này phụ thuộc vào điện áp ban đầu của mạch. Nếu nó ở giữa điện áp cung cấp điện và mặt đất, một sóng điện áp từ nguồn cung cấp sẽ kéo (chìm) các electron ra khỏi mạch, trong khi một sóng điện áp từ mặt đất sẽ đẩy các electron (nguồn) vào mạch. Tóm lại, đây là sự kết hợp của hai trường hợp trước đó, với hai sóng truyền ngược chiều nhau.

Đèn nào bật trước?

Từ trực giác từ các sơ đồ, chúng ta biết rằng bóng đèn gần công tắc nhất sẽ sáng trước. Đèn có thể chuyển từ tắt sang bật chỉ một lần hoặc chúng có thể nhấp nháy và tắt khi sóng điện áp phản xạ qua lại trên mạch. Họ có thể chuyển đổi dần dần, hoặc rất đột ngột. Hành vi phụ thuộc vào trở kháng của mạch tổng thể. Điều này sẽ xác định độ sắc nét của sóng điện áp (chuyển đổi dần dần so với đột ngột) cũng như số lượng và cường độ của các phản xạ (nhấp nháy).

Bạn có thể tham gia vào các phương trình và lý thuyết đường truyền của Maxwell và tìm ra chính xác ánh sáng nào sẽ bật vào lúc f fososecond và nhận được siêu mô phạm về nó. Nhưng tại sao phải mất nhiều năm để trả lời câu hỏi này, khi bạn chỉ có thể có được trực giác trong vài phút? Tất cả những gì bạn cần biết là điện áp, như một sự khác biệt tiềm năng điện, truyền trong một sóng ! Đó là tất cả những điều bạn cần biết!

Giả sử một dây dẫn không tổn hao không có điện dung / độ tự cảm : các electron không chuyển động với vận tốc vô hạn, do đó, hoàn toàn hợp lý khi tưởng tượng việc lật một công tắc khi từ từ tạo ra một làn sóng năng lượng truyền xuống dây; tuy nhiên, vì bóng đèn sáng lên khi dòng điện chạy và vì dòng điện chỉ chảy khi các electron bắt đầu chuyển động, đèn sẽ không sáng cho đến khi trường EM lan truyền hoàn toàn. Tất cả các bóng đèn sẽ sáng lên cùng một lúc.

Tuy nhiên! Mô hình lý tưởng đó là nhảm nhí. Trong thực tế, dây của bạn có điện dung và điện cảm; những điều này sẽ ảnh hưởng đến mạch. Hãy tưởng tượng các bóng đèn được mắc song song. Trong trường hợp này, khi bạn lật công tắc (có thể được lắp đặt ở phía dương hoặc âm, bóng đèn gần công tắc nhất sẽ bật trước.