Dengan cara apa daya sirkuit listrik?

Bekerja dengan beberapa sirkuit musim panas ini, saya bertemu dengan apa yang akhirnya dilakukan semua orang: Arus mengalir dari + ke - meskipun elektron mengalir (well, menabrak satu sama lain) dari - ke +. Saya mengerti latar belakang sejarah untuk ini, tetapi bagi saya yang menimbulkan pertanyaan ini:

Jika saya menggantungkan sejumlah besar bola lampu pijar dua arah secara acak pada kawat dengan panjang 10 detik, dan menghubungkannya ke baterai yang cukup kuat, apa yang akan terjadi? Apakah bola lampu akan menyala sekaligus? Akankah mereka menyala dari + ke -, dari - ke +? Terima kasih sebelumnya. Ini benar-benar menggangguku.

power-supply current analog

— Tom
sumber

Bagaimana baterai dihubungkan? apakah sudah terhubung ke salah satu terminal baterai dan Anda hanya akan menghubungkan sisi lain atau apakah keduanya mengarah terhubung ke adonan pada saat yang sama?

— Gorloth

Saya tidak memikirkan itu, saya juga tidak tahu apakah itu akan membuat perbedaan. Katakanlah Anda melakukannya tiga kali, pertama melakukannya positif lalu negatif, lalu negatif positif, lalu keduanya pada saat yang sama.

— Tom

Saya akan berpikir ketika Anda memiliki sirkuit yang sangat panjang (10 detik cahaya) memiliki satu kabel yang terhubung ke baterai akan menempatkan sirkuit pada potensi itu, sehingga menghubungkan kabel lainnya akan menyebabkan pulsa menuruni kabel, kabel transmisi dan semua (Saya pikir itu berlaku dalam situasi ini)

— Gorloth

Di mana Anda berdiri sehubungan dengan lampu? Jika Anda 10 detik cahaya dari cahaya terjauh dan menyala pertama, Anda dapat melihat semua lampu menyala sekaligus ...

— SLaG

@Gorloth, ya itu akan menjadi gelombang tegangan mulai dari terminal terakhir yang terhubung. Teori jalur transmisi berlaku di sini.

— travisbartley

Jawaban singkat

Lampu yang paling dekat dengan terminal yang diaktifkan tertutup akan menyala lebih dulu. Jika kedua terminal ditutup secara bersamaan, dan sirkuit pada awalnya diisi di tengah daya dan potensial arde, lampu pada ujung senar akan menyala terlebih dahulu. Tidak mungkin lampu di tengah menyala terlebih dahulu. Baca terus untuk penjelasan mengapa.

Pernyataan masalah

Katakanlah kita memiliki dua lampu yang terhubung secara seri ke sumber tegangan. Jarak dari lampu satu sama lain dan ke sumber tegangan sangat besar sehingga keterlambatan yang diperlukan untuk perambatan muatan terlihat.

Misalkan kita memiliki detektor di setiap lampu dengan ketepatan waktu tak terbatas dan ketepatan pencahayaan tak terbatas. Juga, mari kita asumsikan luminansi setiap bohlam berbanding lurus dengan tegangan di terminalnya, jadi bahkan jika ada tegangan sangat kecil, akan ada cahaya sangat kecil yang dihasilkan. Pengaturan pengujian ini akan memberi tahu kami bohlam mana yang lebih dulu menyala.

Sangat membantu untuk membuang konsep bahwa kabel dan komponen berperilaku dengan cara yang ideal. Kami akan memodelkan kabel sebagai saluran transmisi . Dalam hal ini, akan ada gelombang tegangan mulai dari terminal terakhir yang terhubung. Mari kita lihat setiap kasing. Tegangan relatif ditunjukkan dengan + dan -. Jadi dari tegangan tinggi ke tegangan rendah urutannya adalah +++, ++, +, -, -, ---.

Kasus 1: ground terhubung pada awalnya

Dalam hal ini, node rangkaian dibebankan ke tegangan ground pada awalnya.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Ketika catu daya terhubung, gelombang tegangan dimulai dari terminal catu daya saat elektron tenggelam oleh catu daya. LAMP1 adalah yang pertama memiliki perbedaan voltase di atasnya, sehingga akan menyala terlebih dahulu.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Setelah gelombang tegangan telah mencapai terminal ground, sebagian darinya dapat memantulkan kembali dan bergerak ke arah yang berlawanan (lihat dering ). Dengan asumsi nilai absolut dari koefisien refleksi kurang dari 1, gelombang pada akhirnya akan menghilang setelah waktu yang tak terbatas, dan sirkuit akan stabil ke tegangan konstan pada setiap node dari rangkaian. Dalam praktiknya, gelombang harus membusuk agar memiliki efek yang dapat diabaikan hampir secara instan.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Kasus 2: daya terhubung pada awalnya

Dalam kasus ini, node rangkaian dibebankan ke tegangan catu daya pada awalnya.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Ketika ground terhubung, gelombang tegangan dimulai dari terminal ground karena elektron bersumber dari ground. LAMP2 adalah yang pertama memiliki perbedaan voltase di atasnya, sehingga akan menyala terlebih dahulu.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Begitu gelombang tegangan telah mencapai terminal catu daya, sekali lagi, sebagian darinya dapat memantulkan kembali dan bergerak ke arah yang berlawanan sebelum sirkuit stabil ke tegangan konstan di setiap node.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Kasus 3: kedua terminal terhubung secara bersamaan

Sebenarnya, kasus ini tergantung pada tegangan awal rangkaian. Jika berada di antara tegangan catu daya dan arde, gelombang tegangan dari catu daya akan menarik (menenggelamkan) elektron dari rangkaian, sementara gelombang tegangan dari arde akan mendorong (sumber) elektron ke dalam rangkaian. Singkatnya, ini merupakan kombinasi dari dua case sebelumnya, dengan dua gelombang yang bergerak berlawanan arah.

Lampu mana yang menyala lebih dulu?

Dari intuisi dari diagram, kita tahu bahwa bohlam yang paling dekat dengan sakelar akan menyala terlebih dahulu. Lampu mungkin beralih dari mati ke hidup hanya sekali, atau mereka mungkin berkedip dan mati ketika gelombang tegangan memantulkan bolak-balik melintasi sirkuit. Mereka mungkin berubah secara bertahap, atau sangat tiba-tiba. Perilaku ini tergantung pada impedansi dari keseluruhan rangkaian. Ini akan menentukan ketajaman gelombang tegangan (switching bertahap vs tiba-tiba) serta jumlah dan intensitas pantulan (flickering).

Anda bisa masuk ke dalam persamaan Maxwell dan teori jalur transmisi dan mencari tahu dengan tepat cahaya mana yang akan menyala di mana femptosecond dan menjadi sangat hebat tentangnya. Tetapi mengapa menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk menjawab pertanyaan ini, ketika Anda bisa mendapatkan intuisi dalam beberapa menit? Yang perlu Anda ketahui adalah bahwa tegangan, sebagai perbedaan potensial listrik, bergerak dalam gelombang ! Hanya itu yang perlu Anda ketahui!

— Travisbartley
sumber

@RedGrittyBrick, Ini adalah kertas yang saya ingat ketika menulis ini. Ini menunjukkan bagaimana gelombang tegangan merambat melalui saluran transmisi. Saya yakin efek lain membuat kenyataan menyimpang bahkan dari teori saluran transmisi, tetapi model harus cukup baik untuk menjawab pertanyaan ini. web.cecs.pdx.edu/~greenwd/xmsnLine_notes.pdf

— travisbartley

Saya salah membaca jawaban Anda (karena saya malas dan panjang) jadi saya sudah menghapus komentar saya sebelumnya. Saya pikir kesimpulan Anda adalah bahwa lampu mana yang lampu pertama tergantung pada sisi baterai (dalam diagram Anda) sakelar itu berada, jadi jawaban untuk OP's Q adalah bahwa jawaban untuk "dari + ke -, [atau] dari - ke +? " adalah - itu tergantung apakah saklar terdekat + atau terdekat - .

— RedGrittyBrick

@RedGrittyBrick, tepatnya, terminal mana yang memiliki saklar. Saya perlu membuat diagram lebih kecil sehingga posnya tidak terlalu menakutkan, tapi saya tidak tahu caranya. Saya kira orang lain juga memiliki masalah. meta.electronics.stackexchange.com/questions/2716/…

— travisbartley

Ini jawaban yang sangat bagus (terunggah). Saya ingin menekan Anda untuk menghabiskan lebih banyak waktu di atasnya, tetapi mungkin ringkasan teks yang sangat singkat dari kesimpulan Anda di awal mungkin membantu malas malas seperti saya. Jika Anda benar-benar sangat suka mengedit diagram, Anda mungkin menemukan tata letak yang lebih ringkas. Mungkin setelah diagram pertama, diagram berikut dapat diurai ke garis horizontal dari Batt + ke Batt- Saya tidak yakin apakah itu akan menghalangi pemahaman dan membutuhkan terlalu banyak penjelasan tambahan - memberi tahu pembaca bahwa itu dilakukan untuk pengambilan keputusan? Hanya pemikiran saja.

— RedGrittyBrick

@ trav, kecepatan elektron tidak mengikat kecepatan gelombang EM. Saya bisa mempercepat partikel udara jauh di luar kecepatan suara; ini tidak membuat kecepatan suara lebih cepat. Dimungkinkan juga untuk membuat elektron lebih cepat dari kecepatan fase cahaya dalam beberapa media, dan ketika Anda melakukannya, Anda mendapatkan cahaya biru yang sangat rapi . Kecepatan elektron tidak ada hubungannya dengan kecepatan cahaya.

— Phil Frost

-1

Asumsikan konduktor lossless tanpa kapasitansi / induktansi : elektron tidak bergerak dengan kecepatan tak terbatas, sehingga sangat valid untuk membayangkan membalik saklar ketika secara perlahan menginduksi gelombang energi yang bergerak ke bawah kawat; Namun, karena bola lampu menyala ketika arus mengalir, dan karena arus hanya mengalir begitu elektron mulai bergerak, lampu tidak akan menyala sampai medan EM telah merambat sepenuhnya. Semua bola lampu akan menyala secara bersamaan.

Namun! Model ideal itu adalah omong kosong. Pada kenyataannya, kabel Anda memiliki kapasitansi dan induktansi; ini akan mempengaruhi sirkuit. Bayangkan bohlam-bohlam itu dihubungkan secara paralel. Dalam hal ini, ketika Anda membalik sakelar (yang dapat dipasang di sisi positif atau negatif, bohlam yang terdekat dengan sakelar akan hidup terlebih dahulu.

— Jay Carlson
sumber

Semua kecuali satu hal masuk akal. Bola lampu tidak memiliki "pengetahuan" apakah seluruh rangkaian selesai atau tidak, hanya jika bagiannya adalah, jadi jika medan EM setengah selesai merambat melalui lampu, maka bukankah mereka yang telah melewati cahaya, seperti mereka akan berpikir bahwa bidang EM telah diperbanyak?

— Tom

Semua bola lampu tidak akan menyala pada saat yang sama, bahkan dengan ideal, nol kapasitansi, nol sirkuit induktansi. Saat medan EM merambat, muatan listrik bergerak, dan ini akan menyalakan bohlam, bahkan jika itu tidak merambat.

— Phil Frost