Wie treibt Strom einen Stromkreis an?

Ich habe diesen Sommer mit einigen Schaltungen gearbeitet und bin auf das gestoßen, was irgendwann jeder tut: Der Strom fließt von + nach - obwohl die Elektronen von - nach + fließen (naja, sie stoßen aufeinander). Ich verstehe den historischen Hintergrund dafür, aber für mich wirft das folgende Frage auf:

Was würde passieren, wenn ich eine willkürlich große Anzahl bidirektionaler Glühbirnen an einem Draht mit einer Länge von etwa 10 Lichtsekunden anbringe und an einen ausreichend starken Akku anschließe? Würden die Glühbirnen alle auf einmal aufleuchten? Würden sie von + nach -, von - nach + leuchten? Danke im Voraus. Das hat mich wirklich nervt.

Kurze Antwort

Die Lampe am nächsten an der Klemme, die geschlossen ist, leuchtet zuerst auf. Wenn beide Klemmen gleichzeitig geschlossen werden und der Stromkreis zunächst in der Mitte des Leistungs- und Massepotentials aufgeladen wird, leuchten zuerst die Lampen an den Enden der Saiten auf. Es ist unmöglich, dass eine Lampe in der Mitte zuerst aufleuchtet. Lesen Sie weiter, um eine Erklärung zu erhalten, warum.

Problemstellung

Angenommen, wir haben zwei Lampen in Reihe an eine Spannungsquelle angeschlossen. Der Abstand der Lampen zueinander und zur Spannungsquelle ist so groß, dass die für die Ladungsausbreitung erforderliche Verzögerung spürbar ist.

Nehmen wir an, wir haben an jeder Lampe einen Detektor mit unendlicher Zeitgenauigkeit und unendlicher Luminanzgenauigkeit. Nehmen wir außerdem an, dass die Leuchtdichte jeder Glühlampe direkt proportional zur Spannung an ihren Anschlüssen ist. Selbst wenn also eine winzige Spannung vorliegt, wird ein winziges Licht erzeugt. Dieser Testaufbau sagt uns, welche Glühbirne zuerst leuchtet.

Es ist hilfreich, das Konzept zu verwerfen, dass sich Drähte und Komponenten auf ideale Weise verhalten. Wir werden die Drähte als Übertragungsleitungen modellieren . In diesem Fall tritt ab dem zuletzt angeschlossenen Anschluss eine Spannungswelle auf. Schauen wir uns jeden Fall an. Relative Spannungen werden mit + und - dargestellt. Die Reihenfolge von Hochspannung zu Niederspannung ist also +++, ++, +, -, -, ---.

Fall 1: Masse zunächst angeschlossen

In diesem Fall werden die Schaltungsknoten zunächst auf Massespannung aufgeladen.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Wenn die Stromversorgung angeschlossen ist, beginnt eine Spannungswelle am Stromversorgungsanschluss, wenn Elektronen von der Stromversorgung aufgenommen werden. LAMPE 1 ist die erste, an der eine Spannungsdifferenz auftritt. Sie leuchtet daher zuerst auf.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Sobald die Spannungswelle den Erdungsanschluss erreicht hat, wird ein Teil davon möglicherweise reflektiert und wandert in die entgegengesetzte Richtung (siehe Klingeln ). Unter der Annahme, dass der Absolutwert des Reflexionskoeffizienten kleiner als 1 ist, verschwindet die Welle nach einer unendlichen Zeit und die Schaltung stabilisiert sich an jedem Knoten der Schaltung auf eine konstante Spannung. In der Praxis sollte die Welle fast augenblicklich abklingen und einen vernachlässigbaren Effekt haben.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Fall 2: Erstmalige Stromversorgung

In diesem Fall werden die Schaltungsknoten zunächst auf die Versorgungsspannung aufgeladen.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Wenn Masse angeschlossen ist, beginnt eine Spannungswelle am Masseanschluss, wenn Elektronen von Masse bezogen werden. LAMPE2 ist die erste, die eine Spannungsdifferenz aufweist, sodass sie zuerst aufleuchtet.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Sobald die Spannungswelle wieder den Stromversorgungsanschluss erreicht hat, kann ein Teil davon zurückreflektiert werden und sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen, bevor sich die Schaltung an jedem Knoten auf konstante Spannungen stabilisiert.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Fall 3: Beide Klemmen gleichzeitig angeschlossen

Tatsächlich hängt dieser Fall von der Anfangsspannung der Schaltung ab. Liegt es zwischen der Versorgungsspannung und Masse, zieht eine Spannungswelle von der Stromversorgung Elektronen aus dem Stromkreis (sinkt), während eine Spannungswelle von Masse Elektronen in den Stromkreis drückt (quellt). Zusammenfassend ist es eine Kombination der beiden vorherigen Fälle, wobei sich zwei Wellen in entgegengesetzte Richtungen bewegen.

Welche Lampe geht zuerst an?

Aus den Abbildungen geht hervor, dass die dem Schalter am nächsten liegende Glühbirne zuerst aufleuchtet. Die Lampen schalten sich möglicherweise nur einmal aus und wieder ein, oder sie blinken auf und ab, wenn die Spannungswellen über den Stromkreis hin und her reflektiert werden. Sie können allmählich oder sehr plötzlich wechseln. Das Verhalten ist abhängig von der Impedanz der Gesamtschaltung. Dies bestimmt die Schärfe der Spannungswellen (allmähliches oder plötzliches Umschalten) sowie die Anzahl und Intensität der Reflexionen (Flackern).

Sie könnten sich mit Maxwells Gleichungen und der Theorie der Übertragungsleitungen befassen und genau herausfinden, welches Licht in welcher Femptosekunde aufleuchten würde, und sich damit sehr umständlich auseinandersetzen . Aber warum Jahre damit verbringen, diese Frage zu beantworten, wenn man in wenigen Minuten die Intuition bekommt? Alles , was Sie wissen müssen , ist , dass die Spannung, als elektrische Potentialdifferenz, reist in einer Welle ! Das ist alles was du wissen musst!

Man nehme einen verlustfreien Leiter ohne Kapazität / Induktivität an : Elektronen bewegen sich nicht mit unendlicher Geschwindigkeit, daher ist es durchaus sinnvoll, sich vorzustellen, einen Schalter so zu betätigen, dass er langsam eine Energiewelle induziert, die sich über den Draht ausbreitet. Da jedoch Glühbirnen leuchten, wenn Strom fließt, und Strom nur fließt, wenn sich die Elektronen in Bewegung setzen, leuchten die Lichter erst dann auf, wenn sich das EM-Feld vollständig ausgebreitet hat. Alle Glühbirnen leuchten gleichzeitig auf.

Jedoch! Das ideale Modell ist Bullshit. In Wirklichkeit haben Ihre Drähte Kapazität und Induktivität; diese wirken sich auf den Stromkreis aus. Stellen Sie sich vor, die Lampen sind parallel verdrahtet. In diesem Fall wird beim Umlegen des Schalters (der entweder auf der positiven oder der negativen Seite installiert werden kann) die dem Schalter am nächsten gelegene Glühlampe zuerst eingeschaltet.