120 лет весьма быстрых колебаний
В. Меркулов
В декабре 1888 г. великий немецкий физик Генрих Рудольф Герц завершил основные эксперименты по открытию электромагнитных волн, названных позже радиоволнами. Указанную дату отмечают как одно из важнейших научно-технических событий в истории физики.
Измерения скорости света
Еще до нашей эры многим ученым в области естествознания и философии (в пору широких понятий, включавших в себя и физические знания) был известен ряд свойств света: прямолинейное расхождение лучей; отражение их от зеркала под углом, равным углу падения; преломление в воде; распространение существенно быстрее звука; феномен радуги в небе, объясняемый рассеянием большим числом капель воды, пропускающих через себя и отражающих солнечное сияние.
Впервые измерить скорость света вознамерился в 1607 г. итальянский философ, механик и астроном Г. Галилей (1564-1642). Расставив ассистентов по холмам с зажженными и прикрытыми заслонками фонарями на расстоянии 1,5 км одного от другого, он попросил их поочередно как можно быстрее открывать заслонки, если они увидят свет от фонаря соседа.
Себя Галилей озадачил определением времени прохождения световых отправлений вдоль цепи. Опыт был весьма наивный и потому безуспешный.
Элегантный и подлинно научный опыт измерения скорости света [1] поставил в 1675 г. датский астроном О. Ремер (1644-1710). К тому времени уже наблюдали спутникиЮпитера, открытые Галилеем в 1609 г. Было известно, что спутник Ио попадает в тень планеты каждые 42,5 ч. Однако видимые с Земли начала затмений спутника Юпитером отличались от расчетных и зависели от положения Земли в космическом пространстве, чего, казалось, не должно было быть. Ошибка достигала 22 мин., когда Земля удалялась по своей орбите от Юпитера на максимальное расстояние. Ремер предположил, что ошибку вносит отраженный от небесного тела свет, распространяющийся с конечной скоростью. В то время параметры орбит Земли, Юпитера и его спутников не были точно известны, поэтому найденная скорость света получилась равной 222 000 км/с. Этим опытом Ремер опроверг доводы известных ученых древности и их последователей в средние века о бесконечно большой скорости света.
Английский физик и талантливый изобретатель Ч. Уитстон (1802-1875) в 1834 г. собрал установку для измерения скорости света в закрытом помещении, в которой задействовал три лейденские банки, служившие источниками световых разрядов. Перед ними он установил тонкое и легкое вращающееся зеркало. По сливающимся линиям от световых источников он определял получившееся число оборотов отражателя, после чего рассчитывал скорость прохождения лучами света известного расстояния. В современной литературе сообщают о получении Уитстоном результата в 464 000 км/с.
Однако Уитстон более известен причастностью к знаменитому мосту, измеряющему электрическое сопротивление. Настоящий его изобретатель — английский ученый-исследователь земного магнетизма и математик С. Кристи (1784-1865), предложивший прибор в 1833 г. Уитстон прославился популяризацией и энергичным продвижением моста при построении телеграфа, в учебную и лабораторную практику.
Измерение скорости света в «наземных» условиях [1] на окраине Парижа было проведено французским физиком А.
Физо (1813-1896) и его отцомв 1849 г. Источник света и отражательное зеркало установили на расстоянии 8,66 км друг от друга. Между ними поместили зубчатое колесо с 72 зубцами, модулирующими световой луч. По максимальной интенсивности светового излучения «на глаз» определяли скорость вращения механизма (25 с-1). После этого рассчитывали интервалы следования отраженных проблесков. Пройденное лучом расстояние (17,32 км) разделили на время действия световой вспышки. Получили результат 312 000 км/с, близкий к современному значению с относительной погрешностью 4,072 %.
Следующим, пожелавшим в 1850 г. измерить скорость света, был также французский медик, физик и астроном Ж. Фуко (1819-1868), который повторил установку Физо, но заменил в ней зубчатое колесо на быстро вращающееся зеркало [1]. Оно позволило сократить до 20 м путь светового луча и проводить измерения в лабораторных условиях. Полученный в 1862 г. результат 298 000 км/с оказался заметно ближе к истинному значению с погрешностью в 0,6 %.
В дополнение к вращающемуся отражателю Фуко поместил рядом с ним стеклянную трубку, заполненную водой, и показал характерное уменьшение скорости распространения света в другой среде.
В 1878 г. французский профессор физики М. Корню (1841-1902) решил продолжить опыты по измерению скорости света. Корню возвратился к зубчатому колесу Физо, в котором увеличил число зубцов до 200. Полученный им результат соответствовал 300 000 км/с (0,069 %).
В конце 1877 г. к особо точному измерению скорости света приступил американский морской офицер и инженер А. Майкельсон (1852-1931), опубликовавший первый результат в апреле 1879 г. (300 092 км/с, 0,1%). И дальнейшуюсвоюжизнь он посвятил измерениям скорости света. За выполнение масштабных прецизионных работ ученый был удостоен Нобелевской премии в 1907 г. Последнее измерение им было предпринято в 1924 г. Завершилось оно в 1933 г., уже после его смерти [1]. Полученный результат на основе 2885 измерений равен 299 774 км/с (0,006157%).
Современное значение скорости распространения света и электромагнитных волн в вакууме (фундаментальная физическаяпостоянная) равно 299792458 м/с.
Опыты со светом М. Фарадея
12 марта 1832 г. в британское Королевское общество (аналог Императорской Академии наук в России) М. Фарадей (1791-1867) направляет письмопророчество, озаглавленное «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества» [2]. Обнаруженный и изученный лишь в 1938 г. документ содержит ясновидение: «Я пришел к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время, которое, очевидно, окажется весьма незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебания взволнованной водной поверхности… По аналогии я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции… В настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов». Содержание письма Фарадей все же раскрывает позже, в 1845 г.
в изданной 19-й серии своего научного дневника «Экспериментальные исследования по электричеству» [3, с. 50-52], а еще позднее, 15 апреля 1864 г., — в письме «Мысли о лучевых колебаниях» [3, с. 53-57].
К завершающим работам по определению родства света и электромагнитных сил Фарадей приступил в конце 1845 г. Считается, что в субботу 13 сентября того года он с помощником провел ключевой эксперимент, послуживший становлению и развитию электромагнитной теории света и невидимых быстрых колебаний. Опыт заключался в том, что между полюсами довольно мощного электромагнита поместили прямоугольный кусок особо чистого стекла, изготовленного по рецепту самого Фарадея. Ему было хорошо известно, что в стекле луч света преломляется и в значительной мере становится поляризованным. Когда по обмотке электромагнита пропускали электрический ток, наблюдали изменение положения плоскости поляризации света. Явление исчезало при выключении тока. В следующие месяцы Фарадей поставил еще ряд схожих опытов. В упомянутой выше 19-й серии трудов он описывает свои опыты и считает, что им доказана связь между светом и магнетизмом.
Немецкий математик, астроном и физик К. Ф. Гаусс (1777-1855) совместно с другим немецким физиком В. Э. Вебером (1804-1891) с 1832 г. разрабатывали систему единиц измерения СГС (сантиметр, грамм, секунда), в дальнейшем повсеместно действовавшую практически до 1960 г. (с 1889 г. параллельно с МКС — метр, килограмм, секунда), когда была принята международная система СИ. В некоторых областях науки система СГС действует и сейчас. Они предложили привести магнитные единицы к электрическим через скорость света. Для этого рассчитали заряд конденсатора (лейденской банки) в электрических и магнитных единицах и обнаружили, что их соотношение определяется скоростью света.
В 1846 г. Вебер указал на упорядоченное движение электрических зарядов в проводнике с большой скоростью. Десятьюгодами позже (1856 г.) он совместно с германским физиком Р. Г. Кольраушем провел экспериментальную проверку скорости перемещения зарядов в тонком металлическом проводе. Оказалось, что она близка (310 740 км/с) к скорости света.
Фарадей в указанном выше письместатье (1864 г.) ссылается на скорость распространения электричества в проводах по известным ему опытам Уитстона, измеренную незадолго до этого и примерно равную 190 000 миль/с (305 775 км/с). Работы, выполненные Вебером, Кольраушем, Уитстоном во второй половине XIX века, для ученого мира служили безусловным указанием на общность оптических, электрических и магнитных природных явлений.
Динамическая теория Максвелла
Будучи еще совсем молодым человеком в начале 1850-х годов, английский физик-теоретикДж. К. Максвелл (1831- 1879) приступил к изучению изданного лабораторного журнала Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству» (1831-1846). Впоследствии в предисловии к первому изданию своей наиболее важной работы «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873 г.) Максвелл написал: «Прежде чем я начал изучать электричество, я решил не читать математических трудов по этому предмету до тех пор, пока я досконально не прочту фарадеевских «Экспериментальных исследований»; «для науки, возможно, пошло на пользу то, чтоФарадей, владея в совершенстве основными понятиями пространства, времени и силы, не был профессиональным математиком»; «но тем самым он сохранил более широкую свободу для своей собственной работы, для согласования своих идей с открытыми им фактами и для выражения своих мыслей естественным, не техническим языком»; «главным образом в надежде сделать его идеи основой математической теории я и предпринял написание этого трактата»; «Я ограничился почти исключительно математическим изложением предмета» [3, с.
105-111].
С начала прошлого тысячелетия, и особенно в XVII-XIX веках, в европейских странах главенствовала теория дальнодействия или мгновенного действия на расстоянии электрических и магнитных сил. На прочность ее позиций не оказывали влияние проводимые учеными измерения скорости света. В работах «Фарадеевы силовые линии» (1857 г.), «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864 г.) и «Трактате…»Максвелл объявил, что «электромагнитные возмущения» распространяются с конечной скоростью света, ввел понятие «поле». Во введении к «Динамической теории…» разъяснил: «Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит и окружает тела, находящиеся в наэлектризованном или намагниченном состояниях; теория, которую я предлагаю, может, таким образом, быть названа теорией электромагнитного поля» [3, с. 73]. Далее в 20-м параграфе [3, с. 78, 79] он пишет, что в поле «могут распространяться только те возмущения, которые являются поперечными по отношению к направлению распространения, и что скорость распространения так близка к скорости света, что мы имеем, по-видимому, серьезное основание сделать заключение, что и свет (включая лучистое тепло и различные другие излучения) является электромагнитным возмущением, имеющим форму волн, распространяющихся через электромагнитное поле согласно электромагнитным законам»; «Концепция распространения поперечных магнитных возмущений, с исключением возможности продольных возмущений, была отчетливо высказана профессором Фарадеем в его “Мыслях о лучевых колебаниях”.
Электромагнитная теория света, предложенная им, является по существу той же самой, которую я начал развивать».
Теорию электромагнитного поля и выражающие ее фундаментальные уравнения Максвелл разработал в 1860- 1865 гг. В популярном виде они изложены в работах [2, 4]. Российский физиктеоретик Л. И. Мандельштам (1879- 1944) во введении к [3, с. 24], подчеркивая основной момент теории и давая разъяснение 1-му уравнению, написал, что в математической теории Максвелла «закон индукции Фарадея выражается в терминах теории поля так, что быстрота изменения числа силовых магнитных линий, проходящих через контур, пропорциональна или, точнее говоря, определяет собой интеграл по контуру от возникающей при этом электродвижущей силы… Перенимая это в свою теорию, Максвелл делает следующий решительный шаг, принадлежащий всецело ему. Он постулирует взаимность между электрическим и магнитным полями, предполагая, что скорость изменения числа электрических силовых линий, пронизывающих поверхность замкнутого контура, порождает, в свою очередь, магнитодвижущую силу в контуре, интеграл от которого пропорционален скорости изменения во времени потока электрических линий, т.
е. току смещения, который эквивалентен, таким образом, обычному току в проводниках». Или иначе можно сказать, что пересечение проводником электрических силовых линий с определенной скоростью порождает, в свою очередь, магнитодвижущую силу в контуре, пропорциональную скорости изменения во времени потока электрических линий, эквивалентную обычному току в проводниках.
Однако в работах Фарадея и Максвелла не встречаются термины «электромагнитная волна», «длины волн» света, определенные в 1801 г. англичанином Т. Юнгом (1773-1829), отсутствуют прямые указания на возможное наличие в природе других электромагнитных волн, отличающихся от световых числом колебаний в единицу времени. Формально говоря,Максвелл не предсказывал невидимых для глаз высокочастотных электромагнитных возмущений, распространяющихся в эфире со скоростью света. Его последователи теоретически провозглашали их существование как аксиому, хотя не понимали, для чего они понадобятся. Известное с 1832 г. явление самоиндукции, как частный случай электромагнитной индукции,Фарадеем было использовано в отдельных опытах, однако в его письменных работах упоминание термина отсутствует
Трудно поверить, что одаренным ученым не была известна разработанная российским физиком Э.
Х. Ленцем (1804-1865) еще в 1833 г. сверхгениальная теоретическая и практическая формула расчета ЭДС самоиндукции: E = -L*di/dt. Также кажется невероятным, что они не были знакомы с резонансом и другой, выведенной физиком-ирландцем У. Томсоном (1824-1907) в 1853 г. не менее замечательной формулой: T = 2π√LC. Отметим, что именно явления самоиндукции, резонанса, указанные формулы послужили базойфизическому направлению, получившему наименование «радиотехника» в XX веке.
В руководимой Максвеллом богато оснащенной и известной Кавендишской лаборатории британского Кембриджского университета с момента создания в 1871 г. не было предпринято попыток по проверке положений открытой электродинамической теории. Однако известно, чтоМаксвелл не находился в плену оторванного от жизни «чистого теоретизирования». Им выполнены некоторые работы прикладного характера, например, предложена методика получения цветных фотографий, придумано средство для удаления жировых пятен с одежды.
Максвелл не встречался с Фарадеем.
Лишь в октябре 1861 г. он письменно оповестил его о важнейшем откровении, легшем в основу подготовляемой к изданию «Динамической теории электромагнитного поля»: «свет состоит из поперечных волн той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». Фарадей в высшей степени одобрительно отнесся к сообщению, поддержал Максвелла.
Тайное становится явным
В конце XVIII — первой половине XIX веков больше всего успешных научных опытов было проведено воФранции. Во второй половине XIX века научным центром Европы начали считать Германию. Наиболее важные научно-технические материалы стали публиковать на немецком языке, вплоть до начала второй мировой войны. Многие популяризаторы достижений науки даже провозглашали, что немцы все открыли и нечего уже изобретать.
Господствовавшая в европейских умах теория мгновенного действия (дальнодействия) объясняла, казалось бы, все физические процессы, связанные с электричеством и магнетизмом. Виднейшими учеными Германии было написано больше всего «глубоких» и «обоснованных» работ, математически поддерживающих теорию.
В эту теорию никак не вписывались электродинамические постулаты Максвелла и его уравнения. Ведущий немецкий физик и физиолог Г. фон Гельмгольц (1821- 1894) даже посмеивался над мудрецами из Англии-Максвеллом и Фарадеем.
Однако европейским физикам уже известно было о реализации на практике некоторых идей Фарадея. Отмахнуться от них было нельзя. В России академиком-электротехником Б. С. Якоби (1801-1874) совместно с Ленцем в 1838 г., в Италии физиком-электротехником А. Пачинотти (1841-1912) в 1860 г. были предложены электродвигатели, пригодные для эксплуатации. В Англии инженер-телеграфист К. Варлей (1828- 1883) в 1866 г. и Уитстон в 1867 г., в Германии инженер-изобретатель В. фон Сименс (1816-1892) в том же 1867 г. разработали работоспособные генераторы электротока. Наряду с этим, ученые-физики публиковали материалы о наблюдениях ими быстрых электрических колебаний, возникающих, например, при разряде лейденских банок.
В 1826 г. впервые с заявлением о колебательном разряде конденсаторного накопителя электричества выступил французский физик Ф.
Савари (1791- 1841). Американский физик Дж. Генри (1797-1878) в 1842 г., а в 1847 г. и сам Гельмгольц инструментально также наблюдали затухающие с большой скоростью искровые колебания от лейденской банки. В 1857 г. германский физик В. Феддерсен (1832-1918) по методике исследований, заимствованной у англичанина Уитстона, изучая изображения совокупностей искровых свечений, видимых во вращающемся зеркале, измерил период основного колебания, равный 5 мкс. Он дополнительно подтвердил «жизненность» выведенной Томсоном формулы периодичности колебаний в цепи, зависящих от значений индуктивности и емкости. Проведенные эксперименты показали, что от изобретенной немцем Г. Румкорфом (1803-1877) высоковольтной катушки (1851 г.) возможно получение еще более быстрых колебательных разрядов.
Результаты опытов косвенно подтверждали высказанные Максвеллом предположения о наличии электромагнитных возмущений, по длине волны отличающихся от световых, но имеющих одинаковую природу и скорость распространения.
В 1879 г. Гельмгольц обратил внимание своего лучшего ученика Г. Р. Герца (1857-1894) на конкурсную работу Прусской Академии наук, посвященную «экспериментальному доказательству наличия какой-либо связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией изоляторов» [3, с. 112]. Получение положительного или отрицательного результата по существу означало бы признание или опровержение электродинамической теории Максвелла-Фарадея. Герц провел вычисление необходимой для эксперимента частоты колебаний и решил, что в опыте вряд ли получится выраженный эффект при использовании имевшихся у него лейденской банки и индукционного возбудителя. Задача ему запомнилась, но приступить к ее разрешению он сумел лишь осенью1886 г.
Позже, в 1891 г., в сборнике своих статей под общим названием «Исследование по распространению электрической силы», во вводном обзоре [3, с. 112-130], Герц написал, что в лаборатории заведения его привлекли катушки индуктивности, способные вырабатывать искровой разряд от коммутации с небольшими лейденскими банками или гальваническими батареями. Увидев «бурные» и регулярные электрические колебания, он счел их подходящими для решения задачи Прусской Академии.
Герц отметил «еще одно особое и неожиданное свойство электрической искры, которое не предусматривалось никакой теорией». Благодаря искровым вспышкам возбуждались еще невидимые «электрические движения, более быстрые, чем те, которыми физики располагали до тех пор». Герц «даже сомневался в течение некоторого времени, не имеет ли перед собой совершенно новую форму электрического дальнодействия». Его изумило, что стеклянная пластина, в обычных условиях хорошо пропускавшая световые лучи, будучи помещенной между искрообразующими электродами, прерывала их образование.
Рис. 1
Рис. 2
Однако в опыте по схеме, показанной на рис. 1, истечение искровых вспышек между концами вторичного проводника в контуре С происходило независимо от отсутствия или наличия изолятора В (из серы или парафина) между пластинами АА?. Попутно выяснилось, что на искрообразование оказывает влияние ультрафиолетовое излучение: число искр заметно уменьшалось в затемненной комнате или при расположении всей установки в светонепроницаемом футляре. Особенно Герца смущала «передача» световых проблесков по мере все большего удаления контура С от пластин АА?. Даже на расстоянии 12 м ему удавалось видеть искры во вторичной цепи.
В отличие от установившихся взглядов, что волны локализуются и перемещаются внутри проводника, Герц видел, что они распространяются еще и в окружающем пространстве. «Утверждение о том, что электрические силы могут существовать независимо от своих зарядов, находилось в прямом противоречии с господствовавшими теориями электричества». Эксперименты показали, что по воздуху волны распространяются с такой же скоростью, как и вдоль проволоки.
В 1887-1888 гг. в лабораторных условиях Герц формулирует методические задания по проверке гипотез Максвелла-Фарадея, разрабатывает и делает для них устройства, отражатели, экраны, изучает особенности поведения и распространения открытых им электромагнитных высокочастотных колебаний. В сериях опытов и тестов проводит тысячи наблюдений и измерений миллиметровых по длине волн искровых разрядов. Во всех установках и устройствах он применяет большую генераторную катушку Румкорфа длиной 52 см и диаметром 20 см с ртутным прерывателем.
Наиболее известная печатная (1887 г.) его работа «Овесьма быстрых электрических колебаниях» [3, с. 131-148] посвящена в основном исследованиям резонанса. В устройстве, схема которого изображена на рис. 2, выход высоковольтного генератора А нагружен на горизонтальную первичную цепь СВС? длиной 2,6 м, состоящую из двух прямых медных кусков проволоки диаметром 5 ммс насаженными на концах цинковыми полыми шарами С и С? диаметром 30 см.
Рис. 3
В 1888 г. на установке с большим параболическим зеркалом с наружными размерами 2в1,2 м, глубиной 0,7 м(изготовленным из цинкового листа) и фокусным расстоянием 12,5 см Герц проводил эксперименты по изучению прямолинейного распространения, отражения, поляризации и преломления коротких электромагнитных волн длиной около 50 см (600 МГц).
Рис. 4
К разработке уравнений Максвелла, собственному пониманию их математического и физического смысла Герц обратился (1889 г.) в теоретической статье «Силы электрических колебаний, рассматриваемые с точки зрения теории Максвелла» [3, с. 166- 182]. В иллюстрациях к статье он представил образное видение линий распространения электромагнитных волн от изобретенного им диполя, т.
е. перпендикулярно излучателю (рис. 4).
Литература
- Джефф Б. Майкельсон и скорость света.. — М.: ИИЛ, 1963.
- Карцев В. Приключения великих уравнений. — М.: Знание, 1986.
- Из предыстории радио. Сборник оригинальных статей и материалов. Вып. 1, под ред. Л.И. Мандельштама. — М.-Л.: изд-во АН СССР, 1948.
- Кудрявцев П. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1982.
- Heinrich Hertz — Commemorative Essays on the 100th Anniversary of His Pioneering Experiments on Electromagnetic Waves. — Heinrich-Hertz-Institut, Berlin, 1988.
Статья опубликована в журнале «Радио» № 12 2008 г.
Перепечатывается с разрешения автора.
Статья помещена в музей 13.01.2009
Нагрев провода под действием электрического тока
Как происходит нагрев провода под действием электрического тока? При прохождении по проводу электрического тока происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Скорость процесса преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью P=UI.
Количество тепла, выделяемого током а проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока: Q = I2rt (Закон Джоуля-Ленца).
Преобразование электрической энергии в тепловую имеет большое практическое значение для создания ламп накаливания, нагревательных приборов и электрических печей. Однако выделение тепла в проводах и обмотках электрических, машин, трансформаторов, измерительных и других приборов не только бесполезная трата электрической энергии, но и процесс, который может принести к недопустимо высокому повышению температуры и к порче изоляции проводов и даже самих устройств. Количество тепла, выделяющегося в проводе, пропорционально объему провода и приращению температуры, а скорость отдачи тепла в окружающее пространство пропорциональна разности температур провода и окружающей среды.
В первое время после включения цепи разность температур провода и окружающей среды мала. Только небольшая часть тепла, выделяемого током, рассеивается и окружающую среду, а большая часть тепла остается в проводе и идет на его нагревание.
Этим объясняется быстрый рост температуры провода в начальной стадии нагрева.
По мере увеличения температуры провода растет разность температур провода и окружающей среду к увеличивается количество тепла, отдаваемое проводом. В связи с этим рост температуры провода все более замедляется. Наконец, при некоторой температуре устанавливается тепловоз равновесие: за одинаковое время количество выделяющегося в. проводе тепла становится равным рассеивающемуся во внешнюю среду.
При дальнейшем прохождении неизменяющегося тока температура провода не изменяется и называется установившейся температурой.
Время нагревания до установившейся температуры неодинаково для различных проводников: нить лампы накаливания нагревается за доли секунды, электрическая машина — за несколько часов (как показывает анализ, теоретически время нагревания бесконечно велико, мы под временем нагревания будем понимать время, в течение которого провод нагревается до температуры, обличающемся от установившейся не более чем на 1%).
Нагрев изолированных проводов нельзя допустить выше определенного предела, так как изоляция при сильном перегреве может обуглиться или даже загореться, перегрев голых проводов ведет к изменению механических свойств (натяжения провода).
Для изолированных проводов нормами установлена предельная температура нагрева 55 — 100° С в зависимости от свойств изоляции и условий монтажа. Ток, при котором установившаяся температура соответствует нормам, называется предельно допустимым или номинальным током провода. Значение номинальных токов для различных сечений проводов приводится в специальных таблицах в ПУЭ и электротехнических справочниках.
Мощность, развиваемая током в проводе, при которой наступает тепловое равновесие к устанавливается допустимая температура, называется допустимой мощностью рассеивания.
Если по проводу проходит ток больше номинального, то провод оказывается «перегруженным». Однако, поскольку установившаяся температура достигается не сразу, кратковременно можно допустить в цепи ток больше номинального (до момента, пока температура провода не достигнет предельного значения).
Слишком большая температура провода, как правило, получается при коротком замыкании.
Скорость света против скорости электричества
Кроме того, зависит ли скорость электричества от приложенного напряжения или сопротивления проводника?
Не только сопротивление проводников, но и индуктивность. А также емкость относительно земли и/или другого проводника.
Помните, что электрическая цепь требует полного контура, в отличие от лазера. Проводка для подачи электричества обычно включает 2 проводника (а иногда и 3-й заземляющий проводник). Это касается бытовой электропроводки.
Линия передачи может быть смоделирована как «лестница» резистивных и индуктивных элементов с конденсаторами к другому проводнику. (Изображение из связанной статьи в Википедии). Это один «блок» линии передачи. Реальную линию передачи можно смоделировать, повторив это и приняв предел, поскольку число стремится к бесконечности, а сопротивление / индуктивность / емкость стремятся к нулю.
(Обычно можно игнорировать Gdx, сопротивление изолятора, разделяющего проводники.)
Эта модель линии передачи называется уравнениями телеграфа. Предполагается, что длина линии передачи однородна . Разные частоты в одном и том же проводе «видят» разные значения $R$ и $L$, в основном из-за скин-эффекта (более высокое сопротивление при более высокой частоте) и эффекта близости. Для нас это печально, потому что импульс от щелчка переключателя фактически представляет собой прямоугольную волну, которая теоретически имеет компоненты на бесконечно высоких частотах. 9{-1/2 \sqrt{LC} (R/L + G/C) x}$
Конечным результатом всего этого является то, что электрические сигналы распространяются со скоростью, составляющей часть скорости света . Это имеет смысл, потому что электромагнитная сила переносится (виртуальными) фотонами (https://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier).
Дальнейшее чтение:
- https://practicalee.com/transmission-lines/ показывает практическое сравнение с идеальным (без потерь) и показывает формулу задержки распространения $t_{PD} = \sqrt{L_0 \cdot C_0}$ и $\displaystyle Z_{0}={\sqrt {\frac {L_0}{C_0}}}$ волновое сопротивление, и кое-что о геометрии дорожек на печатной плате.
Мне не очень повезло найти числа для характеристик линии передачи домашней проводки. Они не подходят для передачи высокочастотных сигналов, поэтому большинство людей не утруждают себя измерением. Проводка Ethernet
(например, Cat5e) скручивает проводники вместе и имеет жесткие ограничения на равномерность скручивания на метр (и другие характеристики). Это важно для передачи высокочастотных сигналов, поскольку изменения в проводке изменяют волновое сопротивление (для сигналов переменного тока) и вызывают отражения сигнала. (https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching). Силовые кабели переменного тока обычно вообще не скручивают провода, поэтому высокочастотные сигналы теряют энергию из-за радиоизлучения.
Несмотря на то, что переключатель питания находится только в одном проводнике, переключение переключателя приводит к возникновению разности напряжения на одном конце линии передачи. Мы хотим знать, когда (и в какой форме) этот импульс появится на другом конце.
Бытовая сеть переменного тока с частотой 50 или 60 Гц, поэтому, если вы щелкнете выключателем, когда разность напряжений (почти) равна нулю, ваш измеритель ничего не измерит для задержки передачи + доли секунды для фазы измениться после порога чувствительности измерителя. Будет проще, если вы предположите, что этого не происходит, и просто смоделируете это как всплеск постоянного тока (поскольку фаза питания меняется 9 раз).0007 намного медленнее, чем задержка линии передачи на 10 м провода.)
Таким образом, характеристики линии передачи определяют временную задержку от переключения выключателя питания до «появления» питания на дальнем конце провод.
Если кто-то хочет поспорить об относительности/одновременности, то проведите эксперимент с зеркалом и линией передачи, располагающей детектор физически рядом с выключателем, но все же электрически разделенной 10-метровой проводкой.
проводников — скорость сигналов в проводе по сравнению с оптоволоконным кабелем
спросил
Изменено 3 года, 5 месяцев назад
Просмотрено 7к раз
$\begingroup$
Насколько быстрее передача сигнала по оптоволоконному кабелю, чем по медному проводу? Я бы предположил, что оптоволоконные кабели передают сигналы со скоростью света (возникает вопрос, герметизированы ли оптоволоконные кабели вакуумом или свет движется по воздуху, но это не имеет большого значения), но как это соотносится со скоростью света? скорость сигнала, движущегося по проводнику? Я видел в Интернете, что сигналы также распространяются со скоростью света.
Если это так, то почему волоконно-оптические кабели предпочтительнее?
- скорость света
- проводники
- скорость
- оптоволокно
$\endgroup$
3
$\begingroup$
Приведем несколько основных фактов.
Всякий раз, когда скорость света равна $186 000~\rm миль/с$ или $300 000~\rm км/с$, это его скорость в вакууме.
В реальном мире мы используем медный или оптоволоконный кабель оптический (стекло) для проведения электричества или света.
Медь замедляет электрический ток примерно до $70\%$ от скорость света и стекло замедляют свет примерно на столько же.
Так зачем вообще связываться с оптоволокном?
Проблема с медью: пока она не магнитится
сам по себе электрический ток, который он несет, создает магнитное
поле, которое вызывает помехи в близлежащих кабелях и предотвращает
передача более высоких частот, используемых для телевидения и данных
сигналы.
Чем длиннее кабель и выше частота
тем хуже, пока не станет непригодным.
Волокно, по которому передается лазерный сигнал, не имеет магнитных создаваемых полей и невосприимчив к любому внешнему магнитному полей и имеет практически неограниченную пропускную способность (или пропускную способность).
Надеюсь, это как-то все объясняет.
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Я тестирую оптоволоконные и медные кабели.
Скорость «сигнала» или импульса электричества или света, проходящего через них, составляет около
200 000 км/ч.
проблема в том, что медь, проводящая ток, создает магнитное поле. В сочетании с
индуктивные эффекты и емкость проводников кабеля: чем выше частота, тем меньше эффективность кабеля. Co ax, витые пары, экранированные и т. д. все работают до некоторой степени, но только на более коротком расстоянии.
