Într-un articol anterior am făcut o introducere în teoria curentului electric, completând cu două videoclipuri explicative. În acest articol găsiți completarea din acele clipuri sub formă de text.
Imaginează-ți că ai un circuit uriaș format dintr-o baterie, un întrerupător, un bec și două fire, fiecare având 300.000 de kilometri lungime. Aceasta este distanța pe care o parcurge lumina într-o secundă. Deci, firele ar ajunge până la jumătatea drumului spre Lună și s-ar întoarce pentru a se conecta la bec, care se află la un metru distanță.
Acum, întrebarea este: după ce închid întrerupătorul, cât timp va trece până se aprinde becul? O jumătate de secundă, o secundă, două secunde, 1/c secunde sau niciuna dintre variante?
Trebuie să facem unele presupuneri simplificatoare despre acest circuit, cum ar fi că firele nu au rezistență și că becul se aprinde imediat ce trece curentul prin el.
Această întrebare are de fapt legătură cu modul în care energia electrică ajunge de la o centrală electrică la locuința ta. Spre deosebire de o baterie, electricitatea din rețea vine sub formă de curent alternativ (AC), ceea ce înseamnă că electronii din firele de curent doar se mișcă înainte și înapoi. Ei nu ajung nicăieri în mod real.
Așadar, dacă sarcinile electrice nu vin de la centrala electrică până la tine acasă, atunci cum ajunge energia electrică efectiv la tine?
În primul rând, nu există un fir conductor continuu care să meargă dintr-o centrală până la casa ta. Există întreruperi fizice, întreruperi în linie, cum ar fi în transformatoare, unde o bobină de sârmă este înfășurată pe o parte, iar alta pe partea opusă. Așadar, electronii nu pot curge de la o bobină la cealaltă.
În plus, dacă electronii sunt cei care transportă energia de la centrală la dispozitivul tău, atunci, când aceiași electroni se întorc la centrală, de ce nu transportă și energia înapoi de la casa ta? Dacă curentul circulă în ambele sensuri, atunci de ce energia curge doar într-o singură direcție?
Acestea sunt miturile care ți-au fost predate despre electricitate: că electronii în sine au energie potențială, că sunt împinși sau trași printr-o buclă conductoare continuă și că își disipă energia în dispozitiv. Eu susțin că toate acestea sunt false.
Deci, cum funcționează de fapt?
În anii 1860 și 1870 a avut loc un progres uriaș în înțelegerea universului, când fizicianul scoțian James Clerk Maxwell a realizat că lumina este alcătuită din câmpuri electrice și magnetice oscilante. Aceste câmpuri oscilează perpendicular unul pe celălalt și sunt în fază, ceea ce înseamnă că atunci când unul este la valoarea maximă, și celălalt este la maximum.
Maxwell a dedus ecuațiile care guvernează comportamentul câmpurilor electrice și magnetice și, implicit, al acestor unde. Acestea sunt acum cunoscute sub numele de ecuațiile lui Maxwell.
Dar în 1883, unul dintre foștii săi studenți, John Henry Poynting, se gândea la conservarea energiei. Dacă energia se conservă local, în fiecare punct din spațiu, atunci ar trebui să putem urmări drumul pe care îl parcurge energia dintr-un loc în altul.
Gândește-te la energia care ne vine de la Soare: în cele opt minute cât călătorește lumina, energia este stocată și transmisă în câmpurile electrice și magnetice ale luminii.
Poynting a dedus o ecuație care descrie fluxul de energie — adică câtă energie electromagnetică trece printr-o suprafață pe secundă. Aceasta este cunoscută sub numele de vectorul Poynting și este notată cu simbolul S.
Formula este destul de simplă: o constantă, 1/μ₀ (permeabilitatea vidului), înmulțită cu E × B — produsul vectorial dintre câmpul electric și cel magnetic.
Produsul vectorial este un mod specific de a înmulți doi vectori, în care înmulțești componentele perpendiculare și, pentru a determina direcția, folosești regula mâinii drepte: degetele în direcția câmpului electric, le curbezi spre câmpul magnetic, iar degetul mare indică direcția vectorului rezultat — fluxul de energie.
Aceasta ne arată că, în cazul luminii, energia curge perpendicular pe câmpurile electric și magnetic și în aceeași direcție cu deplasarea luminii. Așadar, lumina transportă energie de la sursă la destinație.
Dar iată partea interesantă: ecuația lui Poynting nu funcționează doar pentru lumină. Ea este valabilă ori de câte ori există câmpuri electrice și magnetice simultan. Ori de câte ori aceste câmpuri sunt prezente împreună, există un flux de energie, și îl poți calcula folosind vectorul Poynting.
Pentru a ilustra acest lucru, să considerăm un circuit simplu, cu o baterie și un bec.
Bateria, de una singură, are un câmp electric, dar cum nu există curgere de sarcini, nu există nici câmp magnetic, așadar bateria nu pierde energie. Când este conectată în circuit, câmpul electric al bateriei se extinde prin circuit cu viteza luminii.
Acest câmp electric împinge electronii, care se acumulează pe suprafețele unora dintre conductori, încărcându-le negativ, iar în alte locuri sunt depletați, lăsând suprafețele pozitiv încărcate. Aceste sarcini de suprafață creează un câmp electric slab în interiorul firelor, care face ca electronii să se deplaseze ușor într-o direcție.
Această viteză de derivă este extrem de mică, cam o zecime de milimetru pe secundă. Acesta este curentul. Desigur, curentul convențional este definit ca mergând în sens opus mișcării electronilor, dar acest fenomen este ceea ce generează curentul.
Sarcinile de pe suprafața conductorilor generează și un câmp electric în afara firelor, iar curentul din interior creează un câmp magnetic tot în exterior. Prin urmare, acum avem o combinație de câmpuri electrice și magnetice în spațiul din jurul circuitului.
Conform teoriei lui Poynting, energia ar trebui să curgă și putem determina direcția acestui flux energetic folosind regula mâinii drepte.
În jurul bateriei, de exemplu, câmpul electric este în jos, iar câmpul magnetic intră în ecran. Prin urmare, fluxul de energie este spre dreapta, departe de baterie. De fapt, în jurul bateriei, energia se propagă radial spre exterior în câmpuri.
De-a lungul firelor, din nou, folosind regula mâinii drepte, fluxul energetic este spre dreapta. Aceasta este valabil pentru firele de sus și de jos. Dar la filamentul becului, vectorul Poynting este orientat spre interior, către bec. Așadar, becul primește energie din câmp.
Dacă faci produsul vectorial, vei vedea că energia vine din toate direcțiile către bec. Există mai multe drumuri pe care energia le poate parcurge de la baterie la bec, dar în toate cazurile energia este transmisă prin câmpurile electrice și magnetice.
„Oamenii par să creadă că injectezi electroni și că de fapt cumperi electroni sau ceva de genul ăsta, ceea ce e complet greșit.”
„Pentru majoritatea oamenilor — și cred că până în ziua de azi — este contraintuitiv să-și imagineze că energia curge prin spațiul din jurul conductorului. Dar ea curge — prin câmp — și merge foarte repede.”
Sunt câteva aspecte importante de remarcat aici. Chiar dacă electronii circulă în ambele direcții — spre și dinspre baterie — folosind vectorul Poynting descoperim că fluxul de energie merge doar într-o direcție: de la baterie spre bec. Asta arată că câmpurile, și nu electronii, transportă energia.
„Cât de departe se deplasează electronii în tot ce-ai spus?”
„Aproape deloc. Probabil că nici nu se mișcă.”
Ce se întâmplă dacă, în locul unei baterii, folosim o sursă de curent alternativ? Atunci, direcția curentului se inversează la fiecare jumătate de ciclu. Dar asta înseamnă că și câmpurile electric și magnetic se răstoarnă simultan, așa că, la orice moment dat, vectorul Poynting indică tot spre bec. Așadar, aceeași analiză folosită pentru DC funcționează și pentru AC.
Aceasta explică modul în care energia curge de la centralele electrice la case prin liniile electrice. În interiorul firelor, electronii doar oscilează înainte și înapoi. Mișcarea lor este exagerată în diagrame, dar nu transportă energia.
În afara firelor, câmpuri electrice și magnetice oscilante călătoresc de la centrala electrică la locuința ta. Poți folosi vectorul Poynting pentru a verifica faptul că fluxul de energie este unidirecțional.
Poate crezi că este doar o discuție academică — că energia ar putea fi considerată transmisă fie prin câmpuri, fie prin curentul din fire. Dar nu este așa — și oamenii au învățat asta pe calea grea, atunci când au început să instaleze cabluri telegrafice submarine.
Primul cablu transatlantic a fost instalat în 1858.
„A funcționat doar vreo lună — niciodată nu a funcționat cum trebuie.”
„Era tot felul de distorsiuni când încercau să trimită semnale — distorsiuni enorme. Puteau comunica doar câteva cuvinte pe minut.”
Transmiterea de semnale pe distanțe atât de lungi sub apă provoca deformări și întinderi ale impulsurilor; devenea dificil să distingi punctele de liniile Morse.
Pentru a explica eșecul, a avut loc o dezbatere între oameni de știință. William Thomson (viitorul Lord Kelvin) credea că semnalele electrice se mișcă prin cabluri submarine ca apa printr-un furtun. Alții, precum Heaviside și Fitzgerald, susțineau că câmpurile din jurul firelor transportă energia și informația. În cele din urmă, ei au avut dreptate.
Pentru a izola și proteja cablul, conductorul de cupru era învelit într-un izolator și apoi într-o manta de fier. Fierul trebuia doar să întărească cablul, dar fiind un bun conductor, a interferat cu propagarea câmpurilor electromagnetice — a crescut capacitatea liniei.
De aceea, astăzi majoritatea liniilor de înaltă tensiune sunt suspendate la înălțime. Chiar și solul umed acționează ca un conductor, așa că este nevoie de un gol izolator mare de aer între fire și sol.
Așadar, care este răspunsul la întrebarea cu circuitul uriaș și becul?
După ce închid întrerupătorul, becul se va aprinde aproape instantaneu, în aproximativ 1/c secunde. Așadar, răspunsul corect este D.
Mulți oameni își imaginează că câmpul electric trebuie să călătorească din baterie de-a lungul firului — un fir de un an-lumină — așa că ar trebui să dureze o secundă pentru ca becul să se aprindă. Dar ceea ce am învățat este că nu ceea ce se întâmplă în fire contează, ci ceea ce se întâmplă în jurul lor.
Câmpurile electrice și magnetice se propagă prin spațiu până la becul care este la doar un metru distanță, în câteva nanosecunde.
Acum, becul nu va primi imediat întreaga tensiune a bateriei. Va primi o fracțiune care depinde de impedanța firelor și de cea a becului.
Am întrebat mai mulți experți despre această întrebare și am primit răspunsuri diferite, dar toți am fost de acord asupra acestor puncte principale.
Mi se pare uimitor că acesta este unul dintre acele lucruri pe care le folosim zilnic, dar aproape nimeni nu le înțelege corect. Aceste unde electromagnetice care călătoresc în jurul firelor sunt cele care îți livrează de fapt energia electrică.
Acum că înțelegi cum circulă cu adevărat energia electrică, te poți gândi la asta de fiecare dată când aprinzi un bec.
Cel mai mare mit despre electricitate: energia electrică nu curge prin fire
Am videoclip am vorbit despre un circuit gigantic, cu fire lungi de un secundă lumină, care se conectează la un bec aflat la doar un metru distanță de baterie și întrerupător și v-am întrebat: după ce închid întrerupătorul, cât va dura până când vom vedea lumina de la acel bec? Iar răspunsul meu a fost 1/c secunde.
Au fost și reacții de tipul: „Răspunsul lui este greșit”, „Am putea comunica mai repede decât viteza luminii”, „Asta violează cauzalitatea și bunul-simț”, „De fapt, este puțin înșelător” sau „Extrem de neconvingător”.
Vreau să clarific orice confuzie pe care am creat-o.
Am făcut un model la scară redusă al acestui circuit. Are doar 10 metri lungime pe fiecare parte. Evident, e mult mai scurt decât o secundă lumină, dar în primele 30 de nanosecunde, acest model ar trebui să se comporte identic cu circuitul mare. Iar Caltech are osciloscoape foarte rapide, așa că vom putea vedea ce se întâmplă în acest interval.
Am primit o mulțime de ajutor de la Richard Abbott, care lucrează la LIGO, detectorul de unde gravitaționale. Aici vom pune o mică rezistență, care va juca rolul becului nostru, și o vom măsura cu un osciloscop pentru a vedea, în esență, care este întârzierea dintre aplicarea unui impuls la celălalt capăt — practic, apăsarea întrerupătorului — și apariția unei tensiuni la bornele rezistorului.
Iar mărimea acelei tensiuni este foarte importantă. Mulți oameni au crezut că va fi neglijabilă.
În fapt, lumina nu se stinge niciodată, indiferent de starea întrerupătorului. Unii electroni sar peste spațiul dintre contacte, rezultând un curent de scurgere continuu, extrem de mic.
Susțin că vom vedea o tensiune și un curent prin sarcină care sunt cu multe ordine de mărime mai mari decât curentul de scurgere, o cantitate de energie care ar putea produce efectiv lumină vizibilă dacă este aplicată unui dispozitiv potrivit, și că vom vedea acea putere acolo într-un interval aproximativ egal cu timpul în care lumina traversează distanța de un metru.
Dar pentru a înțelege de ce se întâmplă acest lucru, trebuie mai întâi să clarificăm câteva concepții greșite pe care le-am văzut în reacții.
Concepție greșită numărul unu este ideea că electronii transportă energia de la baterie la bec.
Să presupunem că avem un circuit simplu, cu o baterie și un bec, aflat în regim staționar. Dacă mărim imaginea filamentului becului, am vedea un aliaj de nuclee atomice cu sarcină pozitivă, înconjurate de un „ocean” de electroni liberi negativi, care se pot mișca prin rețea. Viteza reală a acestor electroni este foarte mare — aproximativ un milion de metri pe secundă — dar se mișcă în toate direcțiile, aleatoriu. Viteza medie de derivă a unui electron este sub 0,1 mm/s.
Frecvent, un electron se ciocnește de un ion metalic și transferă o parte sau toată energia sa cinetică rețelei. Electronul încetinește, iar rețeaua metalică începe să vibreze mai intens — se încălzește. Iar în cele din urmă, asta face ca filamentul să strălucească și să emită lumină.
Așadar, mulți concluzionează că electronul a transportat energia de la baterie la bec, unde și-a disipat energia cinetică sub formă de căldură. Dar gândiți-vă: de unde a luat electronul acea energie cinetică înainte de coliziune? Nu a adus-o de la baterie. Dacă circuitul este pornit doar de puțin timp, acel electron nici măcar nu a fost vreodată aproape de baterie. Atunci cum a fost accelerat? Răspunsul este: de un câmp electric în fir. Electronul se ciocnește repetat cu rețeaua și pierde energie. După fiecare coliziune, este din nou accelerat de câmpul electric. Deci, deși electronul transferă energie rețelei, energia a provenit din câmpul electric.
Concepție greșită numărul doi este ideea că electronii mobili se împing reciproc prin circuit.
Multe animații arată electronii împingându-se prin repulsie mutuală, ca apa într-un furtun sau ca bilele într-un tub. Dar dacă facem media pe câțiva atomi, densitatea de sarcină din interiorul unui conductor este zero. Sarcina negativă a electronilor și sarcina pozitivă a nucleelor se anulează reciproc. Pentru fiecare forță de respingere între doi electroni, există o forță egală și opusă din partea nucleului pozitiv de lângă ei. Așadar, electronii nu se pot împinge între ei.
Concepția greșită numărul trei este că întregul câmp electric provine din baterie.
Asta pare intuitiv, având în vedere că bateria are un pol pozitiv și unul negativ, dar acela nu este câmpul electric pe care îl simt electronii în fir. Dacă ar fi așa, atunci, apropiind becul de baterie, el ar trebui să lumineze mai tare. Ceea ce nu se întâmplă.
Câmpul electric din fir provine din baterie și din sarcinile de pe suprafața firelor. Pe măsură ce avansezi de la capătul negativ al bateriei spre cel pozitiv, există un gradient de sarcină de suprafață — de la un exces de electroni la început până la o deficiență de electroni (sarcini pozitive) spre sfârșit. Aceste sarcini de suprafață, împreună cu cele ale bateriei, creează câmpul electric din interiorul și din jurul firelor.
Aceste sarcini de suprafață se stabilesc aproape instantaneu atunci când bateria este conectată. Electronii nu trebuie să se deplaseze pe distanțe mari — doar aproximativ cât raza unui proton — pentru a crea distribuția necesară. Viteza de formare este limitată doar de viteza luminii.
Bateria menține acest câmp prin faptul că forțează electronii să se deplaseze împotriva forței Coulombiene. În sarcină, câmpul electric accelerează electronii, care apoi transferă energie rețelei. Așadar, bateria introduce energie în câmp, iar câmpul o transferă către sarcină.
Modelul cu sarcini de suprafață este omis în majoritatea manualelor, dar cartea „Matter and Interactions” a lui Chabay și Sherwood îl tratează excelent, inclusiv cu simulări care arată cum distribuția de sarcini generează un câmp electric net în interiorul firului.
Câmpul electric în centrul firului are magnitudine constantă și direcție paralelă cu firul. Acolo unde secțiunea este mai îngustă (rezistență), viteza de derivă — și deci câmpul electric — este mai mare, obținută printr-un gradient de sarcini mai abrupt.
În această configurație, câmpul electric total este o combinație între câmpul bateriei și cel al sarcinilor de suprafață. Departe de baterie, câmpul este generat mai ales de sarcinile de suprafață. Aproape de baterie, contribuția acesteia este mai mare, iar câmpul datorat sarcinilor de suprafață este de fapt în direcție opusă față de cel al bateriei.
Așadar, electronii nu transportă energia, nu se împing reciproc și nu sunt mișcați doar de baterie. În schimb, sarcinile de suprafață și câmpurile electrice guvernează totul.
Cum se aplică toate acestea la circuitul gigantic? Când bateria este conectată la circuit, chiar și cu întrerupătorul deschis, sarcinile se redistribuie. Pe partea negativă a bateriei apare un exces de electroni pe suprafața firelor și a întrerupătorului. Pe partea pozitivă, există un deficit de electroni – adică sarcini pozitive pe suprafața firelor. Sarcinile se reorganizează până când câmpul electric devine zero peste tot în interiorul conductorilor. Acest câmp electric este produs atât de sarcinile de pe suprafața firelor, cât și de cele din baterie.
Există un câmp electric în afara firelor datorat acestor sarcini, dar în interiorul firelor, câmpul este zero. Avem acum întreaga diferență de potențial a bateriei concentrată pe întrerupător, dar niciun curent nu circulă – cu excepția curentului de scurgere, pe care îl presupunem neglijabil.
Când închidem întrerupătorul, sarcinile de pe ambele părți se anulează reciproc la contact, iar în acel moment câmpul electric din conductor nu mai este zero – curentul începe să circule prin întrerupător. Simultan, noul câmp electric rezultat din această redistribuție de sarcini se propagă cu viteza luminii. Când ajunge la bec, câmpul electric din el nu mai este zero și începe să curgă curent. De aceea am spus că becul se aprinde în aproximativ 1/c secunde – deoarece se află la un metru de întrerupător, iar modificarea câmpului electric ajunge acolo cu viteza luminii.
Unii au observat că ar fi trebuit să spun „un metru împărțit la c” și îmi cer scuze pentru exprimarea lejeră a unităților. Dacă am muta întrerupătorul, atunci becul s-ar aprinde după un alt interval de timp, în funcție de distanța față de întrerupător.
Ca răspuns la primul videoclip, Ben Watson a simulat circuitul folosind software-ul HFSS de la Ansys, care rezolvă complet ecuațiile lui Maxwell în trei dimensiuni. Am colaborat cu Ben și Ansys pentru a realiza aceste simulări.
Când întrerupătorul este închis, câmpul electric se propagă, iar când atinge firul îndepărtat, generează curent. Câmpul electric este orientat spre dreapta, așa că electronii curg spre stânga. Simularea arată modul în care câmpul magnetic apare în jurul firului îndepărtat, generat de curentul care circulă prin el. Acest lucru sugerează că este într-adevăr câmpul electric – și nu variația câmpului magnetic – cel care produce curentul în rezistență.
Unii comentatori au susținut că răspunsul meu (3–4 nanosecunde) violează cauzalitatea. Probabil au presupus că becul s-ar aprinde doar dacă circuitul este complet, iar dacă s-ar întrerupe undeva (chiar și la jumătate de secundă lumină distanță), nu s-ar aprinde deloc. Deci părea că spunem că putem afla starea întregului circuit aproape instantaneu. Dar nu asta afirmam.
Ar fi trebuit să precizez clar: becul se aprinde indiferent dacă circuitul este complet sau nu. Curentul curge prin rezistență datorită câmpului electric prezent acolo.
Pentru a ilustra asta, Ben a adăugat un fir complet deconectat de restul circuitului, situat dedesubt. Răspunsul acestuia la modificarea câmpului electric este practic identic cu cel al firului de sus – cel puțin până când semnalul ajunge la capăt și este reflectat înapoi. Acesta este motivul pentru care răspunsul meu nu violează cauzalitatea – cel puțin inițial, firele conectate și cele deconectate se comportă la fel.
Folosind același software, se poate simula și vectorul Poynting – produsul vectorial dintre câmpul electric și cel magnetic. În videoclipul anterior am arătat că vectorul Poynting indică direcția de propagare a energiei. După închiderea întrerupătorului, vectorul Poynting este orientat dinspre baterie spre firul opus – fie că acesta este conectat sau nu – deoarece energia este transportată de câmpuri, nu de electroni, și poate traversa direct golul.
S-ar putea întreba: dacă energia circulă prin câmp, atunci de ce avem nevoie de fire? Ei bine, nu avem nevoie. Telefoanele și periuțele de dinți se încarcă fără fir, iar cercetătorii au demonstrat că se poate transfera energie folosind semnalul WiFi. Totuși, firele sunt mai eficiente, pentru că ghidează câmpurile – și deci energia – de la sursă la consumator.
Un alt unghi asupra vectorului Poynting: odată ce curentul circulă în firul superior, câmpurile din jurul său transportă energie în ambele direcții. Vectorul Poynting este orientat și paralel cu firul, ceea ce înseamnă că energia circulă de-a lungul circuitului, cum ne-am aștepta. Dar este important: energia este transportată în afara firelor, nu prin ele.
Desigur, gândirea în termeni de câmpuri este mai complicată. Nimeni nu vrea să rezolve ecuațiile lui Maxwell în trei dimensiuni pentru un circuit simplu. Așa că fizicienii și inginerii au dezvoltat metode simplificate.
De exemplu, legea lui Ohm – tensiunea este egală cu curentul înmulțit cu rezistența – este rezultatul macroscopic al tuturor sarcinilor de suprafață, câmpurilor lor și interacțiunilor microscopice. Toată această fizică este comprimată într-un singur element de circuit: rezistorul. Folosim modelul cu elemente concentrate („lumped element model”), în care toate interacțiunile distribuite sunt reprezentate de câteva componente discrete.
Dar diagrama originală a circuitului nostru uriaș este greșită, deoarece nu include interacțiunile câmpurilor dintre fire. Ca să o corectăm, trebuie să adăugăm condensatori de-a lungul firelor – pentru a captura influența sarcinilor de pe un fir asupra celuilalt. De asemenea, firele lungi creează câmpuri magnetice semnificative, care opun rezistență la schimbările de curent – așa că modelăm asta cu inductori. Putem adăuga și rezistori, obținând ceea ce inginerii recunosc ca modelul distribuit pentru o linie de transmisie.
Dacă presupunem că firele sunt supraconductoare, modelul arată o linie de transmisie supraconductoare.
Această diagramă oferă o altă explicație pentru aprinderea rapidă a becului. Când aplici pentru prima dată o tensiune pe un condensator, curentul începe să curgă în timp ce sarcina se acumulează pe plăci. Pe intervale scurte de timp, condensatorul se comportă ca un fir obișnuit. Odată încărcat, nu mai curge curent – dar până atunci, următorul condensator se încarcă, apoi următorul și tot așa. Avem un curent care se propagă în buclă cu viteza luminii.
Acesta este un alt mod de a descrie influența câmpului electric dintre fire.
Un motiv util pentru care merită să privim circuitul astfel este că putem calcula impedanța caracteristică a liniilor de transmisie pe baza inductanței și capacității. Aceasta este „rezistența” văzută de sursă când trimite un semnal. Impedanța caracteristică este radical din raportul dintre inductanță și capacitate.
Pentru circuitul nostru, am măsurat capacitatea și inductanța: 11,85 microhenry. Deci am obținut o impedanță caracteristică de aproximativ 550 ohmi. Pentru a maximiza puterea livrată în sarcină, vrem ca rezistența acesteia să fie egală cu suma celorlalte impedanțe. De aceea am ales o rezistență de 1,1 kohmi.
Sper că v-am convins că va curge curent imediat ce câmpul electric ajunge la firul îndepărtat. Întrebarea este: cât curent? Vom vedea o tensiune apreciabilă chiar dacă firele sunt la un metru distanță? Asta este ceea ce mulți au pus la îndoială.
Așadar, injectăm un impuls.
Tensiunea inițială pare să fie de aproximativ 4–5 volți. Curba verde care urcă la aproximativ 18 volți este tensiunea sursei, iar linia galbenă este tensiunea pe rezistor. După doar câteva nanosecunde, tensiunea ajunge la aproximativ 4 volți.
Cum rezistorul avea 1 kilo-ohm, asta înseamnă un curent de 4 mA. Așadar, am transferat aproximativ 14 miliwați de putere. Așa arată 14 miliwați de lumină. Deci, da, nu e un bec complet aprins, dar este lumină vizibilă – mult mai mult decât un curent de scurgere.
Unii vor spune că e nedrept să folosim un LED când în video era un bec auto cu o baterie – dar acele obiecte erau ilustrative. Dovada că este un experiment mental: cele două secunde lumină de fire supraconductoare în spațiu. Nu este o întrebare inginerească despre cum să conectezi un bec în dormitor.
Întrebarea era intenționat vagă. Dacă vrei să alegi componente astfel încât becul să nu se aprindă niciodată, ai toată susținerea mea. Dar pentru mine, întrebarea interesantă este: cum ai putea face ca becul să se aprindă cât mai repede?
Mă temeam că acele fire lungi vor capta toate undele radio, iar semnalul nostru se va pierde în zgomot. Dar graficul arată clar că semnalul este mult peste zgomot.
Toată lumea este de acord: un semnal stabil, mic, dar mult mai mare decât curentul de scurgere, trece prin sarcină imediat după închiderea întrerupătorului. Este suficient să emită lumină? Da, dacă folosești un LED.
Dar scopul experimentului mental a fost să dezvăluie ceva ce este în mod normal ascuns de felul în care gândim și predăm circuitele electrice. Folosim tensiuni, curenți și elemente concentrate pentru că sunt convenabile – dar nu trebuie să uităm că actorii principali sunt câmpurile. Ele transportă energia.
Cum funcționează, în fapt, electricitatea
Textul articolului este traducere și adaptare după textul din cele două videoclipuri.
