推薦視頻 這才是電真正的工作原理

我製作了一支影片，內容是關於一個巨大的電路，其導線長達光自行车，連接到一盞燈泡。 這只距離電池和開關一公尺遠，我在關上開關後問你 我們要多久才能收到那盞燈泡的光？我的答案是 1/c 秒。 他的答案是錯誤的。我們將能夠以超過光速的速度進行溝通。 這違背了因果關係和常識。 這其實有點誤導。 誤導性。 具有误导性，某種程度上。 極度懷疑。 調皮的維里蒂姆先生惹上了一堆麻煩。 我顯然沒有在上一個影片中清楚地解釋實際發生了什麼事 因此，我想澄清一下我所造成的任何誤解。 在我身後，有一個這個電路的縮小模型。 每邊僅長10米。 顯然，這比一光秒短得多。 但在最初的30納秒內，這個模型應與大型電路完全相同。 而且加州理工學院的儀器速度非常快，因此我們能夠在這個時間範圍內觀察到發生的情況。 我在這方面得到了理查德·阿博特的大力協助，他是雷射干涉重力波天文台（LIGO）的工作者。 在這裡，我們將放置一個小小的電阻器，用來代替我們的燈泡。 我們將使用一個測距儀來進行測量 並觀察在另一側施加脈衝時，實際的時間延遲為何。 基本上就是切換開關，讓我們的電阻兩端產生電壓。 那個電壓的大小非常重要。 很多人認為這幾乎可以忽略不計。 所提供的能量如此微不足道。 一個非常非常小的影響，對吧。 你這裡燈泡得到的電力並沒有達到滿載。 他的意思是，無論電流處於何種水平，燈都會立即亮起。 我不是這個意思。 其實，根據那個假設，德里克的答案是錯的。 燈光無論開關處於何種狀態都不會熄滅。 一些電子會跨越 report，導致極小的連續漏電流。 讓我明確說明一下我所主張的內容。 好的，我的觀點是，我們將會看到電壓和電流流經負載。 這比漏電流大了好幾個數量級。 能夠實際產生可見光的功率量 如果你把它通過一個合適的裝置。 我們將看到那裡的功率，大約等於光穿越一米間隔所需的时间。 但要理解為什麼會發生這種情況 我們首先必須澄清一下我在回應中看到的一些誤解。 第一個誤解是認為電子從電池攜帶能量到燈泡。 假設我們有一個簡單電路，包含一顆電池和一盞燈泡，並處於穩態運作。 如果你將燈泡燈絲放大，你會看到原子正電荷核心組成的晶格結構。 原子核以及被一片負電子海洋包圍的最內層電子殼層 可在晶格中自由移動。 這些電子的实际速度非常快，約為每秒一百萬米。 但全都朝著隨機的方向。 電子的平均漂移速度低於每秒0.1毫米。 現在，電子經常會撞擊金屬離子。 並將部分或全部的動能轉移給晶格。 電子減慢，金屬晶格開始振動得更厲害。 它開始變熱。 最終，這正是使燈絲發熱並發出光線的原因。 因此，很多人會看到這一點並得出結論 電子從電池將能量傳送到燈泡。 在那裡，它的動能轉化為熱能而消散。 但請考慮電子在碰撞前的動能來自哪裡？ 它並沒有從電池中獲取那股能量。 事實上，如果電路只運行了一段短時間 那個電子根本沒有靠近電池。 那麼，在碰撞之前它是如何加速的呢？ 答案是它被導線中的電場加速了。 電子不斷與晶格碰撞並失去能量 每次碰撞後，它又會被電場再次加速。 因此，儘管是電子將能量傳遞給晶格 能量來自電場。 那麼，這個電場來自哪裡呢？ 許多動畫看起來像是電子在電路中互相推擠前進。 透過它們之間的相互排斥。 因此，你可能會認為電場來自於它背後的電子。 這就像水通過水管流動，或彈珠在管中滾動的類比。 這是第二個誤解。 認為移動的電子會在電路中互相推擠。 那不是電路中電子流動的方式。 事實上，如果你對幾個原子取平均值的話 您會發現導體內部任何位置的電荷密度均為零。 電子的負電荷與原子的正電核心完全相互抵消。 因此，對於電子之間的每一種排斥力 有一個來自鄰近正離子的大小相等、方向相反的力。 這些力相互抵消，因此自由電子無法在導線中互相推擠。 那麼，電場從何而來？ 第三個誤解是，它完全來自電池。 這在直覺上是合理的，因為電池是電路中的主動元件。 它有正的一面和負的一面，因此產生了電場。 但這並非導線內所有電子所感受到的電場。 請考慮電池附近的電場遠大於遠離電池處的電場。 因此，如果其電場確實是推動電子移動的真正原因 那麼如果你把燈泡靠近電池 因此燈泡會亮得更明亮，但實際上並非如此。 事實是，導線中的電場既來自電池 以及電路導線表面的電荷。 當你沿著導線從電池的負極向正極移動時 其表面形成了電荷的梯度分佈。 從過量的電子開始，到中間大致呈中性 正如我們將看到的，最陡峭的電壓梯度實際上出現在負載兩端。 由於電子不足，原子裸露的正電核心 在導線正極端的表面。 所有這些電荷以及電池上的電荷 在導線內部各處產生電場。 它們還會在導線周圍的空間中產生電場。 這些表面電荷幾乎是瞬間建立起來的 當電池被插入電路時。 你可能會認為，要移動電子，必須讓它們移動一段相當長的距離。 要產生這種電荷分佈，但情況並非如此。 即使電子雲有微小的擴張或收縮， 電子平均移動的距離相當於質子半徑的大小 可以建立你所見的表面電荷。 因此，電荷移動的時間完全可以忽略不計。 設定過程的速度僅受光速限制。 一旦該表面電荷分佈建立起來 電池會持續工作以維持其運作 透過移動電子穿越電池，逆著庫侖力方向。 在載流時，由所有表面電荷所產生的電場會使電子加速。 在與晶格碰撞時耗散其能量。 因此，電池正在向場提供能量。 哪些電子被抽出並傳輸到負載上。 一位電氣工程師製作了一段回應影片，內容是針對本·沃森（Ben Watson）的反應。 想出了一個很好的類比。 電池就像一位牧羊人。 表面的電荷就像是牧羊犬，聽從他的指令行動。 而移動的電子則是被那些吠叫的狗引導的綿羊。 大多數教科書都省略了電路表面電荷的描述 但在《物質與相互作用》（Matter and Interactions）一書中，查巴伊與謝伍德對此有非常精彩的闡述。 他們還有一個 vPython 模擬程式，讓你能夠看到以紅色表示的正表面電荷。 以及藍色的負表面電荷。 你可以看到，這種整個電荷分佈如何產生淨電場 由橙色箭頭在電路內部及周圍各處顯示。 在金屬線內部的任何位置，電場的大小都相同。 其方向沿著導線。 這確實顯示了導線中心處的電場。 但它被描繪在表面，因此你可以看得見。 在此電路中，所有導體均由相同材料製成。 但底部的區段橫截面要窄得多 因此它代表一個電阻。 由於橫截面積較小 通過電阻器的電子漂移速度必須更高 以便它能像電路中其他地方一樣承載相同的電流。 現在，漂移速度與電場成正比。 因此，電場在電阻器內部必須最大。 這是由於此處表面電荷的梯度最陡峭所達成的。 你也可以看到來自電池的對淨電場貢獻，以洋紅色顯示。 以及來自綠色表面電荷的貢獻。 遠離電池處，大部分電場是由表面電荷產生的。 然而，在靠近電池的位置，其貢獻更大。 而由表面電荷產生的電場實際上方向相反 從電池到電場。 總而言之，電子並不會將電池的能量傳送到燈泡。 他們也不會推對方穿過鐵絲網。 它們被電場推動前行 由電池上的電荷以及導線表面的電荷所產生。 從電路的角度來看，那些過去可能看似神秘的事物 要清楚得多。 就像電子以相同速率離開電池一樣 並以相同的漂移速度返回 它們如何從電池傳輸能量？ 答案是他們沒有。 它們在每次與晶格碰撞之前，會被電場加速。 在一個節點處，有多少個電子會沿著每條路徑流下？ 他們是由電場引導的。 這會延伸至電路的每個角落。 場域是貫穿整個電路的主導角色 而電子不過是他們的棋子。 那麼這對大型電路來說意味著什麼呢？ 當電池接入電路時 即使開關打開，電荷仍會重新排列。 電池的負極 導線和開關的表面有多餘的電子。 從正面來看，電子有不足之處 因此，正電荷會積聚在導線的表面。 電荷會重新排列，直到電場為零。 導體內部的每個地方。 這個電場是由所有表面電荷以及電池上的電荷所產生的。 由於這些電荷，在導線外部存在電場。 但它在導線內部為零。 現在，電池的完整電位差出現在開關兩端。 而且沒有電流流過 除了漏電流，我假設其可忽略不計。 當我們閉合開關時 開關兩側的表面電荷在接觸時相互抵消。 就在那一刻，導體內部的電場不再為零。 電流開始通過開關流動。 同時，由改動後的表面電荷產生的新電場 以幾乎光速向外輻射 當電場到達燈泡時，其內部的電場不再為零。 因此，電流也開始在此處流動。 這就是我說燈泡會在一秒除以 c 的時間內點亮的原因 因為燈泡距離開關一公尺遠。 電場的變化以光速向外傳播。 正如你們中的一些人指出的，答案應該是 1 公尺除以 c。 並為單位的隨意使用致歉。 如果你要撥動開關的話 然後燈泡發出光所需的时间就會不同 這僅取決於開關與燈泡之間的เหมาะสม shuffle 針對我原先的影片 本·沃森使用 ANSYS 公司的 HFSS 軟體模擬了電路模型。 它為三維空間中的麥克斯韋方程組提供了完整的解。 現在我已與本和安世公司合作完成這些模擬。 當開關關閉時，你可以看到電場向外輻射。 當它擊中遠端的導線時，便會產生電流。 電場方向向右，因此電子向左流動。 此模擬顯示磁場的大小 隨著它跨越縫隙，迅速下降。 但隨後，遠端的導線周圍出現了一個磁場 而這個磁場是由那根導線中的電流產生的。 對我來說，這表明這確實是電場。 而不是變化的磁場產生負載中的電流。 一些在原始影片下的評論者聲稱，我的答案三或四納秒 違反因果關係。 我猜他們認為只有當電路完整時燈泡才會亮起。 而且如果電路某處斷開，它就不會這樣。 距離可達半光秒之遠。 因此，我似乎在說我們可以獲取整個電路狀態的資訊。 即使相距半光秒之遙，也僅需納秒級時間。 但那並不是我所說的意思。 我本應明確指出的是，燈泡亮了。 無論電路是否完整。 電流因負載所受的電場而流過負載。 為說明這一點，本在電路下方加了一根導線。 與其完全無關。 你所看到的是，它對變化電場的反應 幾乎與上方導線相同 至少要到信號抵達遠端並反射回來為止。 這就是為何我的回答不會破壞因果關係。 至少在最初，連接和斷開的電線表現完全相同。 使用此軟體，您還可以模擬指向矢量 那是電場與磁場的叉積。 在上一個影片中，我示範了指標向量如何表示能量傳輸的方向。 當開關關閉後 指標向量從電池穿過間隙指向另一根導線 無論是否已連接。 由於能量是由場傳遞的，而非電子。 它可以直接跨越那個缺口。 那麼你可能會問，我們為什麼還是 compat 電線呢？ 我們沒有。 我的意思是手機和牙刷可以無需透過電線連接電流來充電。 研究人員已展示利用Wi-Fi信號的能源進行遠端充電。 電線更有效率，因為它能引導電場和磁場。 因此，能量從源頭傳輸到負載。 這是另一個看待指向向量的角度。 你可以看到，一旦上層的導線中有電流流過 其周圍的場域以兩個方向傳遞能量。 當然，指向矢量也與第一條導線平行。 按照大多數人的預期，在電路中傳輸能量。 但請再次注意，能量是通過導線外部傳輸的，而不是在導線內部傳輸。 現在誠然，以這種方式思考電路是很複雜的。 而且由於沒有人想在三維空間中求解麥克斯韋方程組 僅用來分析一個基本電路 科學家和工程師已經找到了捷徑。 例如歐姆定律，電壓等於電流乘以電阻。 僅是所有表面電荷的巨觀結果 他們的電場以及數以兆計的電子與數以兆計的金屬離子相互碰撞。 你可以將所有這些物理現象簡化為一個電路元件 一個電阻以及電流和電壓的基本量。 這被稱為集中參數模型。 將分散的多粒子與場相互作用全部歸併為幾個離散的電路元件。 我們每次繪製電路圖時都會使用這種技巧。 因此，我們原先那個大型電路的圖示是有缺陷的 因為導線之間的電場對該問題至關重要 但沒有電路元件能表示這些相互作用。 為了解決這個問題，我們需要在整條電線上都加上電容器。 這些描繪了其中一根導線上的電荷對另一根導線的影響。 例如，如果底層導線表面帶有負電荷 他們會在頂部導線的表面誘導出正電荷。 此外，由於這些導線很長，它們周圍將會產生顯著的磁場。 抵抗電流變化。 因此我們會將整個導線都以電感器來建模。 我們還可以加入電阻器，這正是電氣工程師所熟悉的元件。 作為傳輸線的分佈參數模型 但我們假設這些導線是超導體。 因此，我們可以這樣建模超導電力傳輸線。 此圖提供了一種理解的另類方式 電流幾乎立即流過負載的原因。 當你第一次在電容器兩端施加電壓時 電流流向與兩塊極板上累積的相反電荷方向相反。 在短時間內，電容器相當於短路。 它的作用就像一根普通的導線。 一旦充滿電，便不再有電流流過。 但此時，下一個電容器正在充電。 然後是下一個，再來是下一個 因此，我們有一個以大約光速向外擴展的電流迴路。 這當然只是談論該效果的另一種方式。 下方電線對上方電線所產生的電場。 這樣觀察電路有一個好處 是因為你可以使用電感和電容的值 計算傳輸線的特性阻抗禹 你可以將其視為對交流電的阻抗。 當訊號透過電線傳輸時，訊源所看到的情況。 特徵阻抗等於電感除以電容所得商的平方根。 至於我們的電路，我量測了線路的電容和電感。 11.85，稱為微亨利。 因此，我們得到的特性阻抗約為550歐姆。 為了最大化傳遞給負載的功率 我們希望其阻抗等於電路中其他阻抗的總和。 所以我們選criminal 1.1 千歐姆的電阻。 現在我希望你已相信電流會流動。 一旦電場到達遠端的導線。 問題是多少？ 即使這些導線相距一公尺，我們仍能觀察到明顯的電壓嗎？ 那正是上個影片中許多人懷疑的事情 所以這正是我們想要弄清楚的。 好的，現在我們在那裡加入一個脈衝。 好吧，看看吧，德里克。 那我們有什麼呢？ 那個黃色的是我們的…… 獲得了一部分施加電壓的超調，然後…… 看來我們所得到的初始電壓大約是…… 每格五伏特，因此看起來大約是五伏特。 大約四至五伏特。 綠色曲線上升至約18伏特的部分是源電壓 而黃線是電阻兩端的電壓。 因此，僅僅經過幾納秒，該電壓便上升至約四伏特。 由於電阻是千歐姆，表示電流為四毫安。 電流在信號完全繞過電路之前，已流經電阻器。 因此，我們正在傳輸大約14毫瓦的電力。 這就是14毫瓦光線實際呈現的樣子。 所以，它不是全亮的燈泡，但確實發出可見光。 而且遠遠超過僅由漏電流所產生的數量。 現在你們中的一些人可能會認為，使用一個小小的LED燈是不公平的。 當我在原始影片中展示燈泡和汽車電池時 但這些項目僅供示範之用。 這個提示其實是一個思想實驗 那兩光秒長的超導線纜延伸至太空中。 這不是一個關於如何在臥室裡最恰當地連接燈泡的工程問題。 問題是故意模糊的，如果你想要選擇電路元件 使得燈永遠不會亮起，你當然可以這麼做，我支持你的結論。 我認為解決這個問題最有趣的方式是提問 你如何才能最快讓燈亮起來？ 我擔心那些長電線會接收到所有經過的無線電波。 我們甚至無法看到那個訊號，因為被噪音 infantry 了 但你從圖中可以清楚地看到，訊號遠高於雜訊水平。 Alpha Phoenix 安裝了一公里的電線，結果與之前非常相似。 所以燈泡稍微亮了一下。 然後在經過一光速延遲後，燈泡才完全點亮。 YouTuber ZY模擬了傳輸線電路，發現即使在 他假設一開始就直接將12毫瓦傳輸到負載上。 德里克實際上比我們所承認的更正確。 因此我相信他在所有方面都是正確的。 問題既不具欺騙性，也不涉及任何技術性細節。 因此，大家一致認為，有一個穩定的微小信號，其強度遠大於漏電流信號。 電流在開關關閉後的第一秒內流經負載。 僅發出光線足夠嗎？ 是的，如果你使用LED的話。 但這個思想實驗的重點在於揭示通常被掩蓋的事物 我們對電路的思考與教學方式。 你知道我們使用電壓、電流和集中參數元件，是因為它們更為方便。 比起處理麥克斯韋方程組 但我們不應忘記，真正的主角其實是那些場域。 它們是傳遞能量的載體。 你不必相信我的話。 這是資深印刷電路板設計師瑞克·哈特利。 我過往總是用電壓和電流來思考。 我過往一直以為電路中的能量來自電壓和電流。 但並非如此。 電路中的能量位於電場和磁場之中。 你最需要了解的是，當你設定追蹤路徑時 你最好明確一下那條傳輸線的另一端。 因為如果你不這麼做，這些領域就會擴散開來 他們會讓你成為一個不快樂的人。 我最期待的其中一件事就是電路影片 那是我看到的許多人都回應的影片 尤其是那些在電氣工程方面資歷遠勝於我的人。 我真的很享受觀看那些影片。 所以我觉得我的電路影片在某些方面，好像有點像是我自己的一個錯誤。 我沒有對這個問題的部分深入探討足夠。 我誠實地說，我沒想到這會是影片的重點 但顯然每個看過的人都懂。 這是我自己的責任。 但由於犯了那個錯誤，並且沒有深入說明我的情況 我似乎邀請了許多其他的人來做解釋。 我覺得那些sing得很好 甚至有一些人，例如 Alpha Phoenix，還真的接受了這個挑戰。 並設立了他自己的實驗版本。 坦率地說，我對最終產生的成果感到非常興奮。 儘管我承認這件事一開始就是我的錯 就像我本應該給出更清楚的解釋一樣 但如果不這麼做，你知道外面有很多很棒的解釋。 這就是我所喜愛的。 所以我會向你推薦一大堆電氣工程類的YouTube頻道。 如果你想去查看一下那些話 因為有許多優秀的頻道 你真的應該看看他們對電子產品的思考方式 以及他們如何解釋這個電路。