Dengan cara apa daya sirkuit listrik?

Bekerja dengan beberapa sirkuit musim panas ini, saya bertemu dengan apa yang akhirnya dilakukan semua orang: Arus mengalir dari + ke - meskipun elektron mengalir (well, menabrak satu sama lain) dari - ke +. Saya mengerti latar belakang sejarah untuk ini, tetapi bagi saya yang menimbulkan pertanyaan ini:

Jika saya menggantungkan sejumlah besar bola lampu pijar dua arah secara acak pada kawat dengan panjang 10 detik, dan menghubungkannya ke baterai yang cukup kuat, apa yang akan terjadi? Apakah bola lampu akan menyala sekaligus? Akankah mereka menyala dari + ke -, dari - ke +? Terima kasih sebelumnya. Ini benar-benar menggangguku.

Jawaban singkat

Lampu yang paling dekat dengan terminal yang diaktifkan tertutup akan menyala lebih dulu. Jika kedua terminal ditutup secara bersamaan, dan sirkuit pada awalnya diisi di tengah daya dan potensial arde, lampu pada ujung senar akan menyala terlebih dahulu. Tidak mungkin lampu di tengah menyala terlebih dahulu. Baca terus untuk penjelasan mengapa.

Pernyataan masalah

Katakanlah kita memiliki dua lampu yang terhubung secara seri ke sumber tegangan. Jarak dari lampu satu sama lain dan ke sumber tegangan sangat besar sehingga keterlambatan yang diperlukan untuk perambatan muatan terlihat.

Misalkan kita memiliki detektor di setiap lampu dengan ketepatan waktu tak terbatas dan ketepatan pencahayaan tak terbatas. Juga, mari kita asumsikan luminansi setiap bohlam berbanding lurus dengan tegangan di terminalnya, jadi bahkan jika ada tegangan sangat kecil, akan ada cahaya sangat kecil yang dihasilkan. Pengaturan pengujian ini akan memberi tahu kami bohlam mana yang lebih dulu menyala.

Sangat membantu untuk membuang konsep bahwa kabel dan komponen berperilaku dengan cara yang ideal. Kami akan memodelkan kabel sebagai saluran transmisi . Dalam hal ini, akan ada gelombang tegangan mulai dari terminal terakhir yang terhubung. Mari kita lihat setiap kasing. Tegangan relatif ditunjukkan dengan + dan -. Jadi dari tegangan tinggi ke tegangan rendah urutannya adalah +++, ++, +, -, -, ---.

Kasus 1: ground terhubung pada awalnya

Dalam hal ini, node rangkaian dibebankan ke tegangan ground pada awalnya.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Ketika catu daya terhubung, gelombang tegangan dimulai dari terminal catu daya saat elektron tenggelam oleh catu daya. LAMP1 adalah yang pertama memiliki perbedaan voltase di atasnya, sehingga akan menyala terlebih dahulu.

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Setelah gelombang tegangan telah mencapai terminal ground, sebagian darinya dapat memantulkan kembali dan bergerak ke arah yang berlawanan (lihat dering ). Dengan asumsi nilai absolut dari koefisien refleksi kurang dari 1, gelombang pada akhirnya akan menghilang setelah waktu yang tak terbatas, dan sirkuit akan stabil ke tegangan konstan pada setiap node dari rangkaian. Dalam praktiknya, gelombang harus membusuk agar memiliki efek yang dapat diabaikan hampir secara instan.

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Kasus 2: daya terhubung pada awalnya

Dalam kasus ini, node rangkaian dibebankan ke tegangan catu daya pada awalnya.

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Ketika ground terhubung, gelombang tegangan dimulai dari terminal ground karena elektron bersumber dari ground. LAMP2 adalah yang pertama memiliki perbedaan voltase di atasnya, sehingga akan menyala terlebih dahulu.

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Begitu gelombang tegangan telah mencapai terminal catu daya, sekali lagi, sebagian darinya dapat memantulkan kembali dan bergerak ke arah yang berlawanan sebelum sirkuit stabil ke tegangan konstan di setiap node.

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Kasus 3: kedua terminal terhubung secara bersamaan

Sebenarnya, kasus ini tergantung pada tegangan awal rangkaian. Jika berada di antara tegangan catu daya dan arde, gelombang tegangan dari catu daya akan menarik (menenggelamkan) elektron dari rangkaian, sementara gelombang tegangan dari arde akan mendorong (sumber) elektron ke dalam rangkaian. Singkatnya, ini merupakan kombinasi dari dua case sebelumnya, dengan dua gelombang yang bergerak berlawanan arah.

Lampu mana yang menyala lebih dulu?

Dari intuisi dari diagram, kita tahu bahwa bohlam yang paling dekat dengan sakelar akan menyala terlebih dahulu. Lampu mungkin beralih dari mati ke hidup hanya sekali, atau mereka mungkin berkedip dan mati ketika gelombang tegangan memantulkan bolak-balik melintasi sirkuit. Mereka mungkin berubah secara bertahap, atau sangat tiba-tiba. Perilaku ini tergantung pada impedansi dari keseluruhan rangkaian. Ini akan menentukan ketajaman gelombang tegangan (switching bertahap vs tiba-tiba) serta jumlah dan intensitas pantulan (flickering).

Anda bisa masuk ke dalam persamaan Maxwell dan teori jalur transmisi dan mencari tahu dengan tepat cahaya mana yang akan menyala di mana femptosecond dan menjadi sangat hebat tentangnya. Tetapi mengapa menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk menjawab pertanyaan ini, ketika Anda bisa mendapatkan intuisi dalam beberapa menit? Yang perlu Anda ketahui adalah bahwa tegangan, sebagai perbedaan potensial listrik, bergerak dalam gelombang ! Hanya itu yang perlu Anda ketahui!

Asumsikan konduktor lossless tanpa kapasitansi / induktansi : elektron tidak bergerak dengan kecepatan tak terbatas, sehingga sangat valid untuk membayangkan membalik saklar ketika secara perlahan menginduksi gelombang energi yang bergerak ke bawah kawat; Namun, karena bola lampu menyala ketika arus mengalir, dan karena arus hanya mengalir begitu elektron mulai bergerak, lampu tidak akan menyala sampai medan EM telah merambat sepenuhnya. Semua bola lampu akan menyala secara bersamaan.

Namun! Model ideal itu adalah omong kosong. Pada kenyataannya, kabel Anda memiliki kapasitansi dan induktansi; ini akan mempengaruhi sirkuit. Bayangkan bohlam-bohlam itu dihubungkan secara paralel. Dalam hal ini, ketika Anda membalik sakelar (yang dapat dipasang di sisi positif atau negatif, bohlam yang terdekat dengan sakelar akan hidup terlebih dahulu.