回路と光速

スイッチで制御される単純な1つのバッテリーと1つのランプ回路があるとします。スイッチを閉じると、ランプがすぐに点灯します。スイッチを開くと、ランプはすぐに暗くなります:(下の図）

ランプはスイッチにすぐに応答するようです。

実際、白熱灯は、フィラメントに電力を供給するのに十分な大きさの電流を受け取った後、フィラメントがウォームアップして発光するまでに短時間かかるため、効果はすぐには現れません。ただし、私が焦点を当てたいのは、ランプフィラメントの応答時間ではなく、電流自体の即時性です。

すべての実用的な目的で、スイッチアクションの効果はランプの位置で瞬時に発生します。電荷キャリアはワイヤ内を非常にゆっくりと移動しますが、電荷キャリアが互いに押し合う全体的な効果は、光速（1秒あたり約186,000マイル）で発生します。 ！）。

しかし、ランプに電力を運ぶワイヤーが186,000マイルの長さだったとしたら、どうなるでしょうか。電気信号の速度は有限であることがわかっているため（非常に高速ですが）、非常に長いワイヤのセットは回路に時間遅延を導入し、ランプでのスイッチの動作を遅らせる必要があります:(下の図）

光速では、ランプは1秒後に反応します。

ランプフィラメントのウォームアップ時間がなく、両方のワイヤの長さが372,000マイルに沿って抵抗がないと仮定すると、ランプはスイッチが閉じてから約1秒後に点灯します。

長さ372,000マイルの超電導線の建設と運用は、実際には大きな問題となるが、理論的には可能であるため、この「思考実験」は有効である。スイッチを再び開くと、スイッチが開いた後、ランプは1秒間電力を受け取り続け、その後消灯します。

これを想定する1つの方法は、導体内の電荷キャリアを列車の鉄道車両として想像することです。カップリングの少量の「たるみ」または「遊び」でリンクされています。 1台の鉄道車両（電荷担体）が動き始めると、前の1台を押して後ろの1台を引っ張りますが、カップリングからたるみがなくなる前ではありません。

したがって、運動は、結合のたるみによって制限される最大速度で車から車へ（ある電荷担体から別の電荷担体へ）伝達され、その結果、列車（回路）の左端から右端への運動の伝達がはるかに速くなります。車（電荷キャリア）の実際の速度よりも:(下の図）

モーションは1台の車から次の車に連続して送信されます。

もう1つの例えは、おそらく送電線の主題により適していますが、水中の波の例えです。平らな壁の形をした物体が水面に沿って突然水平に移動し、その前に波が発生するとします。

水分子が互いにぶつかると波が伝わり、水分子自体が実際に伝わるよりもはるかに速く水面に沿って波の動きが伝わります:(下の図）

水中での波の動き。

同様に、電荷キャリアの動きの「結合」は、ほぼ光速で移動しますが、電荷キャリア自体はそれほど速く移動しません。非常に長い回路では、この「結合」速度は、スイッチの動作とランプの動作の間の短い時間遅延の形で、人間の観察者に気付かれるようになります。

レビュー：

• 電気回路では、電荷キャリアの運動「結合」はほぼ光速で移動しますが、導体内の電荷キャリアはその速度の近くでは移動しません。

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