Скорость электричества

редактировать

Слово электричество обычно относится к движению электронов (или других носителей заряда ) через проводник в присутствии потенциала и электрического поля. Скорость этого потока имеет несколько значений. В бытовых электрических и электронных устройствах сигналы распространяются в виде электромагнитных волн, обычно со скоростью 50% –99% скорости света, в то время как сами электроны движутся намного медленнее.

Содержание

1 Электромагнитные волны
- 1.1 Скорость электромагнитных волн в хороших диэлектриках
- 1.2 Скорость электромагнитных волн в хороших проводниках
- 1.3 Электромагнитные волны в цепях
2 Электрический дрейф
3 См. также
4 Ссылки
5 Дополнительная литература
6 Внешние ссылки

Электромагнитные волны

Скорость, с которой энергия или сигналы проходят по кабелю, на самом деле является скоростью распространения электромагнитной волны по кабелю. (руководствуясь) кабелем. т.е. кабель представляет собой форму волновода. На распространение волны влияет взаимодействие с материалом (ами) в кабеле и вокруг него, вызванное наличием носителей электрического заряда (взаимодействующих с компонентой электрического поля) и магнитных диполей (взаимодействующих с компонентой магнитного поля). Эти взаимодействия обычно описываются с помощью теории среднего поля посредством проницаемости и диэлектрической проницаемости задействованных материалов. Энергия / сигнал обычно проходит вне электрического проводника кабеля; Таким образом, проводник предназначен не для проведения энергии, а для направления несущей энергию волны.

Скорость электромагнитных волн в хороших диэлектриках

Скорость электромагнитных волн в условиях малых потерь диэлектрик определяется выражением

v = 1 ϵ μ = c ϵ r μ r {\ displaystyle \ quad v = {\ frac {1} {\ sqrt {\ epsilon \ mu}}} = {\ frac {c} { \ sqrt {\ epsilon _ {r} \ mu _ {r}}}}

{\ displaystyle \ quad v = {\ frac {1} {\ sqrt {\ epsilon \ mu}}} = {\ frac {c} {\ sqrt {\ epsilon _ {r} \ mu _ {r}}}}}

где

c {\ displaystyle \ quad c}

{\ displaystyle \ quad c}

= скорость света в вакууме.

μ 0 {\ displaystyle \ quad \ mu _ {0}}

{\ displaystyle \ quad \ mu _ { 0}}

= проницаемость свободного пространства = 4π x 10 H / м.

μ r {\ displaystyle \ quad \ mu _ {r}}

{\ displaystyle \ quad \ mu _ {r}}

= относительная магнитная проницаемость материала. Обычно в хороших диэлектриках, например. вакуум, воздух, тефлон,

μ р = 1 {\ displaystyle \ mu _ {r} = 1}

{\ displaystyle \ mu _ {r} = 1}

μ {\ displaystyle \ quad \ mu}

{\ displaystyle \ quad \ mu}

μ r {\ displaystyle \ mu _ {r }}

\ mu_r

μ 0 {\ displaystyle \ mu _ {0}}

\ mu_0

ϵ 0 {\ displaystyle \ quad \ epsilon _ {0}}

{ \ displaystyle \ quad \ epsilon _ {0}}

= диэлектрическая проницаемость свободного пространства = 8,854 x 10 Ф / м.

ϵ r {\ displaystyle \ quad \ epsilon _ {r}}

{\ displaystyle \ quad \ epsilon _ {r}}

= относительная диэлектрическая проницаемость материала. Обычно в хороших проводниках, например. медь, серебро, золото,

ϵ р = 1 {\ displaystyle \ epsilon _ {r} = 1}

{\ displaystyle \ epsilon _ {r} = 1}

ϵ {\ displaystyle \ quad \ epsilon}

{\ displaystyle \ quad \ epsilon}

ϵ r {\ displaystyle \ epsilon _ {r }}

\ epsilon_r

ϵ 0 {\ displaystyle \ epsilon _ {0}}

\ epsilon_0

Скорость электромагнитных волн в хороших проводниках

Скорость электромагнитных волн в хорошем проводнике определяется выражением

v = 2 ω σ μ знак равно 4 π σ с μ 0 е σ р μ р ≈ (0,41 м / с) е σ р μ р {\ displaystyle \ quad v = {\ sqrt {\ frac {2 \ omega} {\ sigma \ mu}}} = {\ sqrt {\ frac {4 \ pi} {\ sigma _ {c} \ mu _ {0}}}} {\ sqrt {\ frac {f} {\ sigma _ {r} \ mu _ {r}}}} \ приблизительно \ left (0,41 ~ \ mathrm {m / s} \ right) {\ sqrt {\ frac {f} {\ sigma _ {r} \ mu _ {r}}}}}

{\ displaystyle \ quad v = {\ sqrt {\ frac {2 \ omega} {\ sigma \ mu}}} = {\ sqrt { \ frac {4 \ pi} {\ sigma _ {c} \ mu _ {0}}}} {\ sqrt {\ frac {f} {\ sigma _ {r} \ mu _ {r}}}} \ приблизительно \ left (0,41 ~ \ mathrm {м / с} \ right) {\ sqrt {\ frac {f} {\ sigma _ {r} \ mu _ {r}}}}}

где

f {\ displaystyle \ quad f}

{\ displaystyle \ quad f}

= частота.

ω {\ displaystyle \ quad \ omega}

{\ displaystyle \ quad \ omega}

= угловая частота = 2πf.

σ c {\ displaystyle \ quad \ sigma _ {c}}

{\ displaystyle \ quad \ sigma _ {c}}

= проводимость отожженной меди = 5,96 × 10 См / м.

σ r {\ displaystyle \ quad \ sigma _ {r}}

{\ displaystyle \ quad \ sigma _ {r}}

= проводимость материала относительно проводимости меди. Для жестко вытянутой меди

σ r {\ displaystyle \ sigma _ {r}}

{\ displaystyle \ sigma _ {r}}

может быть всего 0,97.

σ {\ displaystyle \ quad \ sigma}

{\ displaystyle \ quad \ sigma}

σ r σ c {\ displaystyle \ sigma _ {r} \ sigma _ {c}}

{\ displaystyle \ sigma _ {r} \ sigma _ {c}}

В меди при 60 Гц, $v ≈ {\ displaystyle v \ приблизительно}$ ${\ displaystyle v \ приблизительно}$ 3,2 м / с. Вследствие закона Снеллиуса и чрезвычайно низкой скорости электромагнитные волны всегда проникают в хорошие проводники в направлении, перпендикулярном поверхности, независимо от угла падения. Эта скорость представляет собой скорость, с которой электромагнитные волны проникают в проводник, а не скорость дрейфа электронов проводимости.

Электромагнитные волны в цепях

В теоретических исследованиях электрических цепей скорость распространения электромагнитного поля в пространстве обычно не учитывается; Предполагается, что поле в качестве предварительного условия присутствует во всем пространстве. Считается, что магнитная составляющая поля находится в фазе с током, а электрическая составляющая считается синфазной с напряжением. Электрическое поле начинается в проводнике и распространяется в пространстве со скоростью света (которая зависит от материала, через который оно проходит). Обратите внимание, что электромагнитные поля не перемещаются в пространстве. Это электромагнитная энергия, которая движется, соответствующие поля просто увеличиваются и уменьшаются в определенной области пространства в ответ на поток энергии. В любой точке пространства электрическое поле соответствует не состоянию потока электроэнергии в этот момент, а состоянию потока в момент раньше. Задержка определяется временем, необходимым для распространения поля от проводника до рассматриваемой точки. Другими словами, чем больше расстояние от проводника, тем сильнее запаздывает электрическое поле.

Поскольку скорость распространения очень высока - около 300 000 километров в секунду - волна переменного или осциллирующего тока, даже высокой частоты, имеет значительную длину. При 60 циклах в секунду длина волны составляет 5 000 километров, а даже при 100 000 герц длина волны составляет 3 километра. Это очень большое расстояние по сравнению с расстояниями, которые обычно используются при измерении и применении поля.

Важная часть электрического поля проводника распространяется до обратного проводника, который обычно находится всего в нескольких футах. На большем расстоянии совокупное поле может быть аппроксимировано дифференциальным полем между проводником и обратным проводником, которые имеют тенденцию сокращаться. Следовательно, напряженность электрического поля обычно незаметна на расстоянии, которое все еще мало по сравнению с длиной волны. В пределах того диапазона, в котором существует заметное поле, это поле практически синфазно с потоком энергии в проводнике. То есть скорость распространения не оказывает заметного влияния, если обратный проводник не находится очень далеко или полностью отсутствует, или если частота не настолько высока, что расстояние до обратного проводника составляет значительную часть длины волны.

Электрический дрейф

Скорость дрейфа имеет дело со средней скоростью частицы, такой как электрон, под действием электрического поля. В общем, электрон будет беспорядочно распространяться в проводнике со скоростью Ферми. Свободные электроны в проводнике следуют случайным путем. Без электрического поля электроны не имеют чистой скорости. Когда прикладывается постоянное напряжение, скорость дрейфа электронов увеличивается пропорционально напряженности электрического поля. Скорость дрейфа составляет порядка миллиметров в час. Напряжение переменного тока не вызывает движения сети; электроны колеблются вперед и назад в ответ на переменное электрическое поле (на расстоянии нескольких микрометров - см. пример расчета ).

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Alfvén, H. (1950). Космическая электродинамика. Оксфорд: Clarendon Press
Альфвен, Х. (1981). Космическая плазма. Taylor Francis US.
«Скорость распространения электрического поля», Теория и расчет переходных электрических явлений и колебаний от Charles Proteus Steinmetz, Глава VIII, с.. 394-, McGraw-Hill, 1920.
Fleming, J.A. (1911). Распространение электрических токов в телефонных и телеграфных проводниках. Нью-Йорк: Ван Ностранд

Внешние ссылки

Время распространения