회로와 빛의 속도

스위치로 제어되는 간단한 배터리 1개, 램프 1개 회로가 있다고 가정합니다. 스위치가 닫히면 램프가 즉시 켜집니다. 스위치가 열리면 램프가 즉시 어두워집니다. (아래 그림)

램프는 스위치에 즉시 반응하는 것으로 보입니다.

실제로 백열등은 필라멘트가 충분한 크기의 전류를 공급받아 예열되어 빛을 발하는 데 시간이 조금 걸리기 때문에 효과가 즉각적이지는 않습니다. 그러나 내가 주목하고 싶은 것은 램프 필라멘트의 응답 시간이 아니라 전류 자체의 직접성입니다.

모든 실용적인 목적을 위해 스위치 동작의 효과는 램프 위치에서 즉각적입니다. 전하 캐리어가 전선을 통해 매우 느리게 이동하지만 서로 밀어내는 전하 캐리어의 전체적인 효과는 빛의 속도로 발생합니다(약 초 186,000마일). !).

하지만 램프에 전력을 공급하는 전선의 길이가 186,000마일이라면 어떻게 됩니까? 전기 신호에는 유한한 속도(매우 빠름)가 있다는 것을 알고 있기 때문에 매우 긴 전선 세트는 회로에 시간 지연을 일으켜 램프에 대한 스위치의 동작을 지연시켜야 합니다. (아래 그림)

빛의 속도로 램프가 1초 후에 응답합니다.

램프 필라멘트에 예열 시간이 없고 두 와이어의 372,000마일 길이를 따라 저항이 없다고 가정하면 램프는 스위치가 닫힌 후 약 1초 후에 켜집니다.

372,000마일 길이의 초전도 선재를 건설하고 운영하는 것은 실제적으로 엄청난 문제를 제기하지만 이론적으로는 가능하므로 이 '사고 실험'은 유효합니다. 스위치가 다시 열리면 램프는 스위치가 열린 후 1초 동안 계속 전원을 공급받은 후 전원이 꺼집니다.

이것을 구상하는 한 가지 방법은 도체 내의 전하 캐리어를 기차의 철도 차량으로 상상하는 것입니다. 커플 링에서 소량의 "느슨함"또는 "유동"으로 함께 연결됩니다. 하나의 철도 차량(전하 캐리어)이 움직이기 시작하면 앞에 있는 차량을 밀고 뒤에 있는 차량을 당기지만 느슨한 부분이 커플링에서 풀릴 때까지는 아닙니다.

따라서 운동은 커플링 느슨함에 의해 제한되는 최대 속도로 자동차에서 자동차로(하나의 전하 캐리어에서 다른 전하 캐리어로) 전달되어 기차(회로)의 왼쪽 끝에서 오른쪽 끝으로 운동이 훨씬 빠르게 전달됩니다. 자동차(전하 캐리어)의 실제 속도보다:(아래 그림)

모션은 한 차량에서 다음 차량으로 연속적으로 전달됩니다.

전송선의 주제에 더 적합한 또 다른 비유는 물의 파도에 대한 비유입니다. 평평한 벽 모양의 물체가 갑자기 수면을 따라 수평으로 움직여서 앞으로 파도가 생성된다고 가정해 보겠습니다.

파도는 물 분자가 서로 부딪치면서 이동하여 물 분자 자체가 실제로 이동하는 것보다 훨씬 빠르게 물 표면을 따라 파도 운동을 전달합니다. (아래 그림)

물속에서의 물결 모양

마찬가지로 전하 캐리어 운동 "커플링"은 전하 캐리어 자체가 그렇게 빨리 움직이지 않지만 대략 광속으로 이동합니다. 매우 긴 회로에서 이 "결합" 속도는 스위치 동작과 램프 동작 사이의 짧은 시간 지연 형태로 인간 관찰자에게 눈에 띄게 됩니다.

검토:

<울>

전기 회로에서 전하 캐리어 운동 "결합"은 대략 광속으로 이동하지만 도체 내의 전하 캐리어는 그 속도 근처에서는 이동하지 않습니다.

관련 워크시트:

<울>

특성 임피던스 워크시트