假設用一根 300 萬千米的電纜給燈泡供電,切斷電源後燈泡要多久才會熄滅?
用一根 300 萬千米長的電纜給燈泡供電,現在我們切斷電源,燈泡要多長時間才會熄滅?
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假設電纜導體材質為純銀,上述問題的答案是?
假設電纜導體材質為常溫超導體,上述問題的答案是?
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感謝大家的參與,沒想到一時的腦洞會有這麼多高質量的回答,那麼我是否可以總結如下——如果電纜夠粗,或者是常溫超導體,那麼電纜的電阻和感抗無限趨於0,這種情況下,燈泡應該是在10秒後熄滅?
@Patrick Zhang的答案旁徵博引,蔚為大觀,晚輩甚是佩服。不過白璧微瑕,個人認為兩個問題望與張工商榷。
第一個問題比較明顯,就是在計算導線總電容時候不慎搞錯了12個數量級。電線的總電容應為
, 即不到0.3法拉。雖然看起來不大,但其實這個數字已經很誇張了,須知整個地球的自電容也不過0.0007法拉左右。
把這個電容帶入張工的公式,得到的時間應該是830秒左右,而不是誇張的千萬年級別。當然這個錯誤仔細看的人都會注意到,電類工程師看到那麼誇張的電容值,應該能感到有點不對勁了。。。。
第二個問題則隱蔽一些,張工雖然意識到這是個傳輸線問題,但是在計算中仍然採用了
計算時間。但這個公式僅僅適用於集總模型,並不適用傳輸線!
**********************************我是給非電類專業看的注釋*********************************************
當傳播的長度遠遠小於信號波長時,我們可以假設在每一個時刻,電線上所有點的電壓與電流都相同。這種情況顯然很好分析,比如市電的波長是6000公里,當然可以假設家裡同一路上每一個燈泡的電壓都一致,他們之間的差別可以簡單線性推導。這就是集總模型
但當信號波長開始和傳播距離相近,甚至更小的時候,就不能假設路徑上所有點的電壓在同一時刻都相等,則必須引入傳輸線模型。市電的波長是6000km,600km的電線就應該用傳輸線分析了。
**********************************注釋完畢***************************************************************
50赫茲交流市電,其波長大約是300000km/50=6000公里。導線的長度遠遠長於這個值,所以必須使用傳輸線模型。
如果是直流電呢?開關這個動作,也是有時間有帶寬的啊!假設正常人手速需要0.01秒閉合開關,那麼其等效帶寬約為
基本上和市電一致,所以開關直流電源這個信號本身,也必須按照傳輸線分析。
那麼,考慮到電線上的電阻,採用有損傳輸線的速度公式:
.......這是什麼鬼............不過根據張工給出的參數,應該是可以慢慢算出來的,等我幾天。
還是簡單粗暴的採用手冊上某種UTP電纜標準值,
即傳播速度是光速的0.6倍計算,大約17秒燈泡點亮。
或者直接使用無損傳輸線的簡化模型,採用張工給出的
,
傳播速度是光速的0.44倍,大約23秒點亮。
這兩個值比較接近,沒有830秒這種誇張的數量級差距。
3. 題主的另外兩個問題是,如果換成純銀會怎樣呢?理想超導體呢?
對於傳輸線而言,材料電阻率對傳播速度的影響並不那麼明顯,只要是不錯的金屬,十幾秒到幾十秒沒有本質差別。決定其傳輸速度的,主要還是電磁波的傳播介質,也就是電線的膠皮。但是,越好的金屬,損耗在路上的電壓越少。
如果是理想超導體呢?導線上沒有任何電壓損耗,傳播速度也只決定於周圍的介質,如果是真空中的理想超導體。。。。。恭喜你,10秒鐘就可以點亮燈泡了!
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