今年夏天与一些电路一起工作时,我遇到了每个人最终都会做的事情:电流从 + 流向 - 尽管电子从 - 流向 + (嗯,相互碰撞)。我了解这方面的历史背景,但对我来说,这提出了这个问题:
如果我将任意数量的双向白炽灯泡串在一根长度为 10 光秒的电线上,并将其连接到足够强大的电池上,会发生什么?灯泡会同时点亮吗?它们会从+到-,从-到+点亮吗?先感谢您。这一直困扰着我。
今年夏天与一些电路一起工作时,我遇到了每个人最终都会做的事情:电流从 + 流向 - 尽管电子从 - 流向 + (嗯,相互碰撞)。我了解这方面的历史背景,但对我来说,这提出了这个问题:
如果我将任意数量的双向白炽灯泡串在一根长度为 10 光秒的电线上,并将其连接到足够强大的电池上,会发生什么?灯泡会同时点亮吗?它们会从+到-,从-到+点亮吗?先感谢您。这一直困扰着我。
简短的回答
最靠近被切换关闭的端子的灯将首先亮起。如果两个端子同时闭合,并且电路最初在电源和地电位的中间充电,则灯串末端的灯将首先亮起。中间的灯不可能先亮。请继续阅读以了解原因。
问题陈述
假设我们有两个串联到电压源的灯。灯彼此之间以及与电压源之间的距离是如此之大,以至于电荷传播所需的延迟非常明显。
假设我们在每盏灯上都有一个检测器,具有无限的时间精度和无限的亮度精度。此外,假设每个灯泡的亮度与其端子上的电压成正比,因此即使有微小的电压,也会产生微小的光。此测试设置将告诉我们哪个灯泡首先亮起。
抛开电线和组件以理想方式运行的概念是有帮助的。我们将电线建模为传输线。在这种情况下,将从最后连接的端子开始出现电压波。让我们看看每个案例。相对电压用 + 和 - 表示。所以从高压到低压的顺序是+++、++、+、-、-、---。
案例1:最初接地
在这种情况下,电路节点最初被充电到地电压。
当连接电源时,随着电子被电源下沉,电压波从电源端子开始。LAMP1 是第一个在其两端产生电压差的,因此它会先亮起。
一旦电压波到达接地端子,它的一部分可能会反射回来并沿相反的方向传播(参见振铃)。假设反射系数的绝对值小于1,则波最终会在无限时间后消失,电路会在电路的每个节点稳定到一个恒定电压。在实践中,波应该衰减到几乎瞬间产生可忽略不计的影响。
案例 2:最初接通电源
在这种情况下,电路节点最初被充电到电源电压。
当接地时,电压波从接地端子开始,因为电子来自接地。LAMP2 是第一个在其两端产生电压差的,因此它会先亮起。
一旦电压波再次到达电源端子,在电路稳定到每个节点的恒定电压之前,它的一部分可能会反射回来并沿相反方向传播。
案例3:两个端子同时连接
实际上,这种情况取决于电路的初始电压。如果它在电源电压和地之间,来自电源的电压波会将电子拉出(吸收)电路,而来自地的电压波会将电子推入(源)电路。总而言之,它是前两种情况的组合,两个波以相反的方向传播。
哪个灯先亮?
根据图表的直觉,我们知道离开关最近的灯泡会先亮。灯可能只从关闭切换到打开一次,或者随着电压波在电路中来回反射,它们可能会闪烁。它们可能会逐渐或非常突然地切换。行为取决于整个电路的阻抗。这将确定电压波的锐度(渐变与突然切换)以及反射的数量和强度(闪烁)。
您可以深入了解麦克斯韦方程和传输线理论,并准确计算出哪盏灯会在哪一飞秒打开,并对此非常迂腐。但是为什么要花费数年时间来回答这个问题,而你可以在几分钟内获得直觉呢?您只需要知道电压作为电势差以波的形式传播!这就是你需要知道的一切!
假设一个没有电容/电感的无损耗导体:电子不会以无限速度移动,因此将开关翻转为缓慢感应沿导线传播的能量波是完全有效的;然而,由于灯泡在电流流动时会亮起,并且由于电流仅在电子开始移动时才会流动,因此在电磁场完全传播之前,灯不会亮起。所有灯泡将同时亮起。
然而!理想的模型是胡说八道。实际上,您的电线具有电容和电感;这些都会影响电路。想象一下灯泡是并联的。在这种情况下,当您拨动开关(可安装在正极或负极)时,最靠近开关的灯泡将首先亮起。