Слово электричество обычно относится к движению электронов (или других носителей заряда ) через проводник в присутствии разности потенциалов или 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% от скорости света , в то время как сами электроны движутся намного медленнее .
Электромагнитные волны
Скорость, с которой энергия или сигналы проходят по кабелю, на самом деле является скоростью электромагнитной волны, распространяющейся по кабелю (направляемой). т.е. кабель - это форма волновода . На распространение волны влияет взаимодействие с материалом (материалами) в кабеле и вокруг него, вызванное наличием носителей электрического заряда (взаимодействующих с составляющей электрического поля) и магнитных диполей (взаимодействующих с составляющей магнитного поля). Эти взаимодействия , как правило , описывается с помощью теории среднего поля со стороны проницаемости и диэлектрической проницаемости материалов , участвующих. Энергия / сигнал обычно проходит вне электрического проводника кабеля; Таким образом, цель проводника - не проводить энергию, а направлять несущую энергию волну. [1] : 360
Скорость электромагнитных волн в хороших диэлектриках
Скорость электромагнитных волн в диэлектрике с малыми потерями определяется выражением
- . [1] : 346
где
- = скорость света в вакууме.
- = проницаемость свободного пространства = 4π x 10 −7 Гн / м.
- = относительная магнитная проницаемость материала. Обычно в хороших диэлектриках, например. вакуум, воздух, тефлон, .
- знак равно .
- = диэлектрическая проницаемость свободного пространства = 8,854 x 10 -12 Ф / м.
- = относительная диэлектрическая проницаемость материала. Обычно в хороших проводниках, например. медь, серебро, золото, .
- знак равно .
Скорость электромагнитных волн в хороших проводниках
Скорость электромагнитных волн в хорошем проводнике определяется выражением
где
- = частота .
- = угловая частота = 2 π f.
- = проводимость отожженной меди = 5,96 × 10 7 См / м .
- = проводимость материала относительно проводимости меди. Для твердотянутой меди может быть всего 0,97.
- знак равно .
а проницаемость определяется, как указано выше в § Скорость электромагнитных волн в хороших диэлектриках.
- = проницаемость свободного пространства = 4π x 10 −7 Гн / м.
- = относительная магнитная проницаемость материала. Магнитопроводящие материалы, такие как медь, обычно имеют рядом 1.
- знак равно .
В меди при 60 Гц,3,2 м / с. Вследствие закона Снеллиуса и чрезвычайно низкой скорости электромагнитные волны всегда попадают в хорошие проводники в направлении, которое находится в пределах миллирадиана нормали к 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
При теоретическом исследовании электрических цепей обычно не учитывается скорость распространения электромагнитного поля в пространстве; 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 у проводника 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 больше запаздывает электрическое поле. [4]
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 теми, которые обычно используются при полевых измерениях и применении. [4]
Важная часть электрического поля проводника распространяется на обратный проводник, который обычно находится всего в нескольких футах от него. 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 диапазоне, 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. [4]
Электрический дрейф
Скорость дрейфа связана со средней скоростью частицы, такой как электрон, из-за электрического поля. В общем, электрон будет беспорядочно распространяться в проводнике со скоростью Ферми . [5] Свободные электроны в проводнике движутся случайным образом. Без электрического поля электроны не имеют чистой скорости. При приложении постоянного напряжения скорость дрейфа электронов увеличивается пропорционально напряженности электрического поля. Скорость дрейфа в медной проволоке диаметром 2 мм при токе в 1 ампер составляет примерно 8 см 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 ).
Смотрите также
Рекомендации
- ^ a b c Хейт, Уильям Х. (1989), Engineering Electromagnetics (5-е изд.), McGraw-Hill, ISBN 0070274061
- ^ Баланис, Константин А. (2012), Engineering Electromagnetics (2-е изд.), Wiley, ISBN 978-0-470-58948-9
- ^ Харрингтон, Роджер Ф. (1961), гармонические во времени электромагнитные поля , McGraw-Hill, ISBN 0-07-026745-6
- ^ a b c Теория и расчет переходных электрических явлений и колебаний Чарльз Протеус Стейнмец
- ^ Словарь Academic Press по науке и технологиям Кристофера Г. Морриса, Academic Press.
дальнейшее чтение
- Альфвен, Х. (1950). Космическая электродинамика . Оксфорд: Clarendon Press
- Альфвен, Х. (1981). Космическая плазма . Тейлор и Фрэнсис США.
- «Скорость распространения электрического поля», Теория и расчет переходных электрических явлений и колебаний , Чарльз Протеус Штейнмец , Глава VIII, с. 394-, Макгроу-Хилл, 1920.
- Флеминг, Дж. А. (1911). Распространение электрических токов в телефонных и телеграфных проводниках . Нью-Йорк: Ван Ностранд
Внешние ссылки
- Время распространения