Sirkuit dan Kecepatan Cahaya

Misalkan kita memiliki sirkuit satu-baterai, satu-lampu sederhana yang dikendalikan oleh sebuah saklar. Saat saklar ditutup, lampu langsung menyala. Saat sakelar dibuka, lampu segera menjadi gelap:(Gambar di bawah)

Lampu muncul untuk segera merespons sakelar.

Sebenarnya, lampu pijar membutuhkan waktu yang singkat agar filamennya memanas dan memancarkan cahaya setelah menerima arus listrik yang cukup besar untuk menyalakannya, sehingga efeknya tidak instan. Namun, yang ingin saya fokuskan adalah kedekatan arus listrik itu sendiri, bukan waktu respons filamen lampu.

Untuk semua tujuan praktis, efek aksi sakelar langsung terjadi di lokasi lampu. Meskipun pembawa muatan listrik bergerak melalui kabel dengan sangat lambat, efek keseluruhan dari pembawa muatan listrik yang mendorong satu sama lain terjadi pada kecepatan cahaya (sekitar 186.000 mil per detik !).

Namun, apa yang akan terjadi jika kabel yang membawa daya ke lampu itu panjangnya 186.000 mil? Karena kita tahu sinyal listrik memiliki kecepatan yang terbatas (walaupun sangat cepat), satu set kabel yang sangat panjang akan menyebabkan penundaan waktu ke dalam rangkaian, menunda aksi sakelar pada lampu:(Gambar di bawah)

Dengan kecepatan cahaya, lampu merespons setelah 1 detik.

Dengan asumsi tidak ada waktu pemanasan untuk filamen lampu, dan tidak ada hambatan sepanjang 372.000 mil dari kedua kabel, lampu akan menyala kira-kira satu detik setelah sakelar ditutup.

Meskipun konstruksi dan pengoperasian kabel superkonduktor yang panjangnya 372.000 mil akan menimbulkan masalah praktis yang sangat besar, secara teori hal itu mungkin, dan dengan demikian "eksperimen pikiran" ini valid. Saat sakelar dibuka kembali, lampu akan terus menerima daya selama satu detik setelah sakelar terbuka, kemudian mati.

Salah satu cara untuk membayangkan hal ini adalah dengan membayangkan pembawa muatan listrik di dalam konduktor sebagai gerbong kereta di kereta:dihubungkan bersama dengan sejumlah kecil "kendur" atau "bermain" di kopling. Saat satu gerbong (pembawa muatan listrik) mulai bergerak, gerbong tersebut akan mendorong gerbong di depannya dan menarik gerbong di belakangnya, tetapi tidak sebelum kendornya dilepaskan dari kopling.

Dengan demikian, gerakan ditransfer dari mobil ke mobil (dari satu pembawa muatan listrik ke yang lain) pada kecepatan maksimum dibatasi oleh kopling slack, menghasilkan transfer gerak yang jauh lebih cepat dari ujung kiri kereta (sirkuit) ke ujung kanan. dari kecepatan sebenarnya mobil (pembawa muatan listrik):(Gambar di bawah)

Gerakan ditransmisikan secara berurutan dari satu mobil ke mobil berikutnya.

Analogi lain, mungkin lebih cocok untuk subjek saluran transmisi, adalah gelombang dalam air. Misalkan sebuah benda datar berbentuk dinding tiba-tiba dipindahkan secara horizontal di sepanjang permukaan air, sehingga menghasilkan gelombang di depannya.

Gelombang akan merambat saat molekul air bertabrakan satu sama lain, mentransfer gerakan gelombang di sepanjang permukaan air jauh lebih cepat daripada gerakan molekul air itu sendiri:(Gambar di bawah)

Gerakan gelombang di air.

Demikian pula, gerakan "kopel" pembawa muatan listrik bergerak kira-kira dengan kecepatan cahaya, meskipun pembawa muatan listrik itu sendiri tidak bergerak secepat itu. Dalam sirkuit yang sangat panjang, kecepatan "kopling" ini akan terlihat oleh pengamat manusia dalam bentuk penundaan waktu yang singkat antara aksi sakelar dan aksi lampu.

TINJAUAN:

• Dalam rangkaian listrik, gerakan "kopel" pembawa muatan listrik bergerak kira-kira dengan kecepatan cahaya, meskipun pembawa muatan listrik di dalam konduktor tidak bergerak mendekati kecepatan itu.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Impedansi Karakteristik