Rychlost elektřiny - Speed of electricity

tento článek potřebuje další citace pro ověření. Relevantní diskuse je k dispozici na internetu diskusní stránka. Prosím pomozte vylepšit tento článek podle přidávání citací ke spolehlivým zdrojům. Zdroj bez zdroje může být napaden a odstraněn. Najít zdroje: „Rychlost elektřiny“  – zprávy  · noviny  · knihy  · učenec  · JSTOR (Červenec 2015) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Slovo elektřina obecně odkazuje na pohyb elektrony (nebo jiný přepravci poplatků ) prostřednictvím a dirigent v přítomnosti potenciálu a elektrické pole. Rychlost tohoto toku má několik významů. V každodenních elektrických a elektronických zařízeních se signály cestovat jako elektromagnetické vlny typicky v 50% –99% rychlosti světla, zatímco samotné elektrony pohybujte se mnohem pomaleji.

Elektromagnetické vlny

Rychlost, kterou energie nebo signály cestují po kabelu, je ve skutečnosti rychlost elektromagnetické vlny, která se pohybuje po kabelu (vedeném). tj. kabel je forma a vlnovod. Šíření vlny je ovlivněno interakcí s materiálem (materiály) v kabelu a jeho okolí, způsobeným přítomností nosičů elektrického náboje (interakce se složkou elektrického pole) a magnetických dipólů (interakce se složkou magnetického pole). Tyto interakce jsou obvykle popsány pomocí střední teorie pole podle propustnost a permitivita energie / signál obvykle teče v drtivé většině mimo elektrický vodič kabelu; účelem vodiče tedy není vést energii, ale vést vlnu nesoucí energii.^[1]:360

Rychlost elektromagnetických vln v dobré dielektrice

Rychlost elektromagnetických vln v dielektriku s nízkou ztrátou je dána vztahem

${ displaystyle quad v = { frac {1} { sqrt { epsilon mu}}} = { frac {c} { sqrt { epsilon _ {r} mu _ {r}}}} }$ .^[1]:346

kde

${ displaystyle quad c}$ = rychlost světla ve vakuu.

${ displaystyle quad mu _ {0}}$ = propustnost volného prostoru = 4π x 10⁻⁷ H / m.

${ displaystyle quad mu _ {r}}$ = relativní magnetická permeabilita materiálu. Obvykle v dobrých dielektrikách, např. vakuum, vzduch, teflon, ${ displaystyle mu _ {r} = 1}$.

${ displaystyle quad mu}$ = ${ displaystyle mu _ {r}}$ ${ displaystyle mu _ {0}}$.

${ displaystyle quad epsilon _ {0}}$ = permitivita volného prostoru = 8,854 x 10⁻¹² F / m.

${ displaystyle quad epsilon _ {r}}$ = relativní permitivita materiálu. Obvykle v dobrých vodičích např. měď, stříbro, zlato, ${ displaystyle epsilon _ {r} = 1}$.

${ displaystyle quad epsilon}$ = ${ displaystyle epsilon _ {r}}$ ${ displaystyle epsilon _ {0}}$.

Rychlost elektromagnetických vln v dobrých vodičích

Rychlost elektromagnetických vln v dobrém vodiči je dána vztahem

${ displaystyle quad v = { sqrt { frac {2 omega} { sigma mu}}} = { sqrt { frac {4 pi} { sigma _ {c} mu _ {0 }}}} { sqrt { frac {f} { sigma _ {r} mu _ {r}}}} přibližně vlevo (0,41 ~ mathrm {m / s} vpravo) { sqrt { frac {f} { sigma _ {r} mu _ {r}}}}}$.^{[1]:360 [2]:142 [3]:50–52}

kde

${ displaystyle quad f}$ = frekvence.

${ displaystyle quad omega}$ = úhlová frekvence = 2πF.

${ displaystyle quad sigma _ {c}}$ = vodivost žíhané mědi 5.96×10⁷ S / m.

${ displaystyle quad sigma _ {r}}$ = vodivost materiálu ve vztahu k vodivosti mědi. Pro tvrdou taženou měď ${ displaystyle sigma _ {r}}$ může být až 0,97.

${ displaystyle quad sigma}$ = ${ displaystyle sigma _ {r} sigma _ {c}}$.

V mědi na 60 Hz, ${ displaystyle v přibližně}$ 3.2 slečna. Jako důsledek Snellov zákon a extrémně nízká rychlost, elektromagnetické vlny vždy vstupují do dobrých vodičů ve směru, který je kolmý k povrchu, bez ohledu na úhel dopadu. Tato rychlost je rychlost, s níž elektromagnetické vlny pronikají do vodiče a není to rychlost rychlost driftu vodivých elektronů.

Elektromagnetické vlny v obvodech

Při teoretickém zkoumání elektrických obvodů se obvykle nebere v úvahu rychlost šíření elektromagnetického pole prostorem; předpokládá se, že pole je přítomno v celém prostoru. Magnetická složka pole se považuje za fázovou s proudem a elektrická složka se považuje za fázovou s napětím. Elektrické pole začíná na vodiči a šíří se prostorem na rychlost světla (což závisí na materiálu, kterým prochází). Pamatujte, že elektromagnetická pole se nepohybují prostorem. Je to elektromagnetická energie, která se pohybuje, odpovídající pole jednoduše rostou a klesají v oblasti vesmíru v reakci na tok energie. V kterémkoli bodě vesmíru elektrické pole neodpovídá podmínkám toku elektrické energie v daném okamžiku, ale podmínkám toku v daném okamžiku. Latence je určena časem potřebným pro šíření pole z vodiče do uvažovaného bodu. Jinými slovy, čím větší je vzdálenost od vodiče, tím více zaostává elektrické pole.^[4]

Vzhledem k tomu, že rychlost šíření je velmi vysoká - asi 300 000 kilometrů za sekundu - má vlna střídavého nebo oscilačního proudu, dokonce i vysoké frekvence, značnou délku. Při 60 cyklech za sekundu je vlnová délka 5 000 kilometrů a dokonce i při 100 000 hertzích je vlnová délka 3 kilometry. To je velmi velká vzdálenost ve srovnání s těmi, které se obvykle používají při měření a aplikaci v terénu.^[4]

Důležitá část elektrického pole vodiče sahá až k zpětnému vodiči, který je obvykle vzdálený jen několik stop. Na větší vzdálenost lze agregované pole aproximovat diferenciálním polem mezi vodičem a zpětným vodičem, které mají tendenci se rušit. Intenzita elektrického pole je tedy obvykle na vzdálenost, která je ve srovnání s vlnovou délkou stále malá, neocenitelná. V rozsahu, ve kterém existuje znatelné pole, je toto pole prakticky ve fázi s tokem energie ve vodiči. To znamená, že rychlost šíření nemá žádný znatelný účinek, pokud není zpětný vodič velmi vzdálený nebo zcela chybí, nebo pokud není frekvence tak vysoká, že vzdálenost k zpětnému vodiči je znatelnou částí vlnové délky.^[4]

Elektrický drift

The rychlost driftu se zabývá průměrnou rychlostí částice, jako je elektron, v důsledku elektrického pole. Obecně se elektron bude náhodně šířit ve vodiči na Fermiho rychlost.^[5] Volné elektrony ve vodiči sledují náhodnou cestu. Bez přítomnosti elektrického pole nemají elektrony žádnou čistou rychlost. Když Stejnosměrné napětí Pokud se použije, rychlost elektronového driftu se zvýší úměrně k síle elektrického pole. Rychlost driftu je řádově milimetrů za hodinu. Střídavé napětí nezpůsobují žádný pohyb sítě; elektrony kmitají tam a zpět v reakci na střídavé elektrické pole (na vzdálenost několika mikrometrů - viz příklad výpočtu ).

Viz také

• Rychlost světla
• Rychlost gravitace
• Rychlost zvuku
• Telegrafní rovnice
• Odrazy signálů na vodivých vedeních

Reference

Další čtení

• Alfvén, H. (1950). Kosmická elektrodynamika. Oxford: Clarendon Press
• Alfvén, H. (1981). Kosmická plazma. Taylor & Francis USA.
• "Rychlost šíření elektrického pole", Teorie a výpočet přechodných elektrických jevů a oscilací podle Charles Proteus Steinmetz, Kapitola VIII, s. 394-, McGraw-Hill, 1920.
• Fleming, J. A. (1911). Šíření elektrických proudů v telefonních a telegrafních vodičích. New York: Van Nostrand

externí odkazy

• Časy propagace