Voltaje y corriente a lo largo de un cable

Para intentar responder a tus preguntas reales:

1 - La corriente no es "el flujo real de los portadores de carga", más de lo que el sonido es el movimiento real de las moléculas de aire. Para igualar una diferencia de potencial entre los puntos A y B, no es necesario que ninguno de los portadores de carga originalmente en el punto A aparezca en el punto B (al igual que ninguna de las moléculas de aire en una fuente de sonido llega a su oído) . Tal vez una mejor analogía es abrir el grifo en el fregadero de la cocina. Cuando haces esto, la presión en el pico es menor que la presión en la tubería de agua y esto obliga a que el agua salga. Pero, en el tiempo que se tarda en llenar un vaso, el agua que estaba previamente en la tubería principal no saldrá por el pico.

2 - No existe tal cosa como una "respuesta inmediata de los portadores de carga". Nada "real" se mueve de un lugar a otro más rápido que la velocidad de la luz. Por lo tanto, cuando considera frecuencias con longitudes de onda comparables al tamaño físico de su conductor, los potenciales y las corrientes serán diferentes en diferentes lugares. No dejes que nadie te diga lo contrario.

Creo que su principal eslabón perdido es que el concepto de potencial eléctrico, como se enseñó inicialmente, es un concepto de electrostática y no se aplica en situaciones dinámicas (CA). De Wikipedia ,

  

Cuando hay campos magnéticos variables en el tiempo (lo cual es cierto siempre que haya campos eléctricos variables en el tiempo y viceversa), no es posible describir el campo eléctrico simplemente en términos de un potencial escalar V porque el campo eléctrico es Ya no es conservador.

El concepto de potencial se puede extender a circuitos de corriente alterna y distribuidos, como se describe en el artículo de Wiki. Sin embargo, esto requiere definir primero un potencial vectorial magnético , que requiere primero elegir un indicador . Por lo que sé, el concepto de potencial de CA no se utiliza en muchos trabajos de diseño de circuitos, sino que lo utilizan regularmente los diseñadores de antenas.

1. Creo que has entendido mal el significado de la corriente. La corriente es la consecuencia de un flujo de electrones (cargas), pero la velocidad de la corriente no tiene sentido, la velocidad de las cargas es proporcional a la corriente, pero ambos conceptos dimensionales son diferentes (los amperios y m / s no son la corriente). mismo). La propagación de las variaciones de corriente y voltaje en un cable es casi inmediata (velocidad de la luz en conductores ideales), la propagación actúa como una onda electromagnética y sigue las ecuaciones de Maxwell. En DC, las cargas se mueven muy lentamente y en AC incluso más lento, pero la transmisión de energía al cable es una onda electromagnética.
2. Además, dice que "cada punto de un conductor tiene el mismo potencial y dentro de los conductores no habrá un campo eléctrico", no siempre es así, dependiendo del tipo de señal debida al efecto Kelvin o Piel, la densidad de carga en una sección de cable aumenta hacia la superficie externa con las corrientes de CA.
3. Se refiere a RF, luego piensa en las ecuaciones de Maxwell para comprender el flujo de energía y no con los conceptos mecánicos de Newton debido al movimiento de las cargas. La energía es causada por las variaciones del campo EM y su propagación (Maxwell), y estas variaciones son causadas por el movimiento / oscilaciones de las cargas, y no depende de la distancia que las cargas se movieron en una dirección hacia el cable.

  

¿Qué me estoy perdiendo?

Cuando entras en una bañera llena, el nivel del agua aumenta instantáneamente en todas partes. ¡Sin embargo, la carne de tu pie no dejó tus huesos y voló hacia fuera en todos los puntos! El agua solo se mueve lentamente. ¿Cómo podría subir el nivel del agua al instante? Te estás perdiendo el concepto de que los cables no son como tubos huecos. En su lugar, ya están llenos de cargos móviles; Típicamente diez mil coulombs por cc.

Los cables actúan como bañeras, o como canales largos, donde si metes el pie (o viertes más agua), el nivel del agua aumenta en todas partes, aparentemente al instante. (¡Llene su bañera e intente esto!) Sin embargo, el agua en sí apenas se mueve, y un poco de agua teñida de azul que agregó se queda donde la colocó.

Descubrirá que con los canales muy largos , el nivel del agua distante no se eleva instantáneamente. Mida la demora y verá que es causada por la velocidad del sonido en el agua. Por lo tanto, cuando entras en una bañera, tu pie debe enviar una onda de presión de alta velocidad que empuja el agua hacia el exterior y empuja el nivel del agua hacia arriba. El agua es el medio, y solo se mueve lentamente, mientras que la onda se propaga a una velocidad enorme. Funciona de manera similar para los cables. La carga es el medio y la energía es la onda . Coulombs y amperios describen el medio, mientras que julios y vatios son medidas de las olas.

Lo segundo que te falta: incluso con superconductores de cero ohmios, si enrollas una bobina, la inductancia no será cero. Esto significa que cualquier cambio repentino en el potencial no se puede propagar instantáneamente a todo el cable. Es cierto que para los conductores de cero ohmios no puede haber diferencias de potencial de CC en ninguna parte. Pero la CA es un asunto muy diferente, porque la impedancia (reactancia) desempeña un papel.

Haz un inductor de una vuelta en corto usando un cable de cero ohmios. Ahora estíralo, conviértelo en un bucle estrecho de 300,000KM de largo. Ya no será un inductor simple, porque los dos lados del círculo están muy separados y tienen una capacitancia significativa. A continuación, corte un extremo del bucle e inserte de repente una batería. El bucle en cortocircuito obviamente tomará una corriente, pero no será infinito, incluso con un cable de cero ohmios. En cambio, el bucle actuará como una resistencia de unos pocos cientos de ohmios. ¿Suena familiar? Hay un vataje que sale de la batería y los julios de energía de la batería parecen estar desapareciendo en el cable de cero ohmios. La energía se almacena como un campo magnético que rodea las dos mitades del bucle largo, y también como un campo e entre las dos mitades. Una "salchicha" larga y larga de energía de campo EM se está extendiendo a lo largo de su bucle estrecho y, dado que el bucle proporciona una carga en su batería, el bucle debe actuar como una resistencia. Raro: haz tu bucle mucho más corto o más largo, ¡y esta "resistencia" sigue siendo la misma!

Si hay una bombilla conectada al extremo lejano de su bucle de 300,000KM, la batería se encenderá, pero luego de un retraso de un segundo. Los campos EM que se extendían a lo largo del bucle se movían a la velocidad de la luz en el aire. Trate de agregar aislamiento de plástico pesado a su bucle. Sí, ahora toma más tiempo para que la bombilla parpadee. Tu bucle es una guía de onda para EM. ¡Pero no para microondas, está funcionando en DC! El nombre para todo esto es "línea de transmisión". Una línea de transmisión es una guía de onda EM, pero a diferencia de las guías de onda de microondas huecas y las fibras ópticas, opera independientemente de la frecuencia. Funciona bien hasta 0Hz.

El cálculo detrás de todo esto lo resolvió Oliver Heaviside, quien estaba tratando de averiguar por qué los puntos del código Morse en las largas líneas telegráficas se estaban estirando y borrando mientras viajaban. Descubrió que, si agregamos la resistencia de alambre nuevamente, entonces las ondas de diferentes frecuencias viajan a diferentes velocidades, todo un poco más lento que "c". Lol, teoría de la conspiración, fue atacado en forma impresa y casi silenciado por W. Preece, quien dirigía el sistema de telégrafo británico. Luego le robaron sus ideas ridiculizadas por M. Pupin de Columbia U., quien se convirtió en un multimillonario al patentarlas y venderlas a Bell Telephone. Esto curó la distorsión inexplicable que hizo que las voces fueran ininteligibles en las líneas telefónicas más largas que las millas. Entonces, esencialmente Heaviside inventó la red telefónica de larga distancia. Busque en la "La ecuación del telegrafista" de Heaviside. Y como con todas estas historias, después Sus enemigos se enriquecieron con las ideas robadas, Heaviside murió sin un centavo y no llegó a ser mundialmente famoso hasta más tarde.