Circuitele electrice si viteza luminii

Circuitele electrice si viteza luminii

Circuit electric simplu

Sa presupunem ca avem un circuit electric simplu, format dintr-o baterie, o lampa si un intrerupator. La inchiderea intrerupatorului, lampa se aprinde instant. La deschiderea intrerupatorului, lampa se stinge instant.

De fapt, aprinderea lampii dureaza o mica fractiune de secunda pana se incalzeste si emite lumina, timp necesar pentru ca valoarea curentului sa devina suficient de mare. Prin urmare, efectul nu este instantaneu. Pentru aplicatiile practice insa, putem considera ca efectul este imediat, atunci cand lampa si intrerupatorul se afla in vecinatate, intrucat "deplasarea" electronilor in conductori are loc cu o viteza foarte mare, si anume, viteza luminii (aproximativ 300.000 de kilometri pe secunda).

Circuit electric format din conductori foarte lungi

Ce s-ar intampla insa daca conductorii electrici ai unui circuit ar avea o lungime de 300.000 de kilometri? Din moment ce stim ca efectele electricitatii au o viteza finita (desi foarte mare), un set de conductori foarte lungi ar introduce o intarziere de timp in circuit, astfel ca actionarea intrerupatorului si aprinderea/stingerea lampii nu ar mai fi instantanee:

Presupunand ca filamentul lampii nu necesita incalzire, iar rezistenta in lungul celor 600.000 de km de fire (dus-intors) este zero, lampa se va aprinde in aproximativ o secunda de la inchiderea intrerupatorului. La inchiderea intrerupatorului, lampa va continua sa primeasca putere pentru inca o secunda, apoi se va stinge.

Analogie pentru comportamentul electronilor in conductori

Ne putem imagina comportamentul electronilor printr-un conductor ca fiind echivalent cu vagoanele unui tren, legate intre ele, dar prezentand o anumita "cursa" (distanta parcursa de un vagon fata de celalalt, astfel incat elementele de legatura sa fie perfect intinse; doar dupa parcurgerea acestei distanta, vagonul al doilea poate fi tras de primul vagon). Astfel, cand trenul se pune in miscare, nu toate vagoanele vor porni deodata, ci locomotiva trage primul vagon, dupa eliberarea cursei, primul vagon trage al doilea vagon dupa eliberarea cursei, etc. Astfel, miscarea este transferata de la vagon la vagon la viteza maxima permisa de cursa, dar la o viteza mult mai mare decat viteza individuala a vagoanelor.

O alta analogie este cea a valurilor in apa. Sa presupunem ca punem in miscare un obiect plan pe suprafata apei, astfel incat acesta produce o serie de valuri in urma sa. Apa se va "deplasa" datorita faptului ca moleculele sale se ciocnesc una de cealalta, transferand energia de miscare de-a lungul suprafetei apei cu o viteza mai mare decat viteza individuala a moleculelor.

Unda de curent intr-un circuit real

In aceeasi ordine de idei, "unda de curent" se deplaseaza cu viteza luminii, desi electronii individuali nu au o viteza intr-atat de mare. Intr-un circuit foarte lung, aceasta diferenta de viteza, aceasta "cuplare" a electronilor (exemplul trenului), devine vizibila sub forma unei intarzieri intre actiunea intrerupatorului si efectul asupra lampii.