Circuitos e a velocidade da luz

Suponha que tenhamos um circuito simples de uma bateria e uma lâmpada controlado por um interruptor. Quando o interruptor é fechado, a lâmpada acende imediatamente. Quando o interruptor é aberto, a lâmpada escurece imediatamente:(Figura abaixo)

A lâmpada parece responder imediatamente à troca.

Na verdade, uma lâmpada incandescente leva pouco tempo para que seu filamento aqueça e emita luz depois de receber uma corrente elétrica de magnitude suficiente para alimentá-la, de modo que o efeito não é instantâneo. No entanto, gostaria de focar no imediatismo da própria corrente elétrica, não no tempo de resposta do filamento da lâmpada.

Para todos os efeitos práticos, o efeito da ação do interruptor é instantâneo no local da lâmpada. Embora os portadores de carga elétrica se movam pelos fios muito lentamente, o efeito geral dos portadores de carga elétrica empurrando uns contra os outros acontece à velocidade da luz (aproximadamente 186.000 milhas por segundo !).

O que aconteceria, porém, se os fios que conduzem a energia para a lâmpada tivessem 300.000 quilômetros de comprimento? Como sabemos que um sinal elétrico tem uma velocidade finita (embora muito rápida), um conjunto de fios muito longos deve introduzir um atraso de tempo no circuito, atrasando a ação do interruptor na lâmpada:(Figura abaixo)

Na velocidade da luz, a lâmpada responde após 1 segundo.

Supondo que não haja tempo de aquecimento para o filamento da lâmpada e nenhuma resistência ao longo dos 372.000 milhas de comprimento de ambos os fios, a lâmpada acenderá aproximadamente um segundo após o fechamento do interruptor.

Embora a construção e operação de fios supercondutores de 372.000 milhas de comprimento representem enormes problemas práticos, isso é teoricamente possível e, portanto, esse “experimento mental” é válido. Quando o interruptor for aberto novamente, a lâmpada continuará a receber energia por um segundo depois que o interruptor for aberto e, em seguida, será desenergizado.

Uma maneira de imaginar isso é imaginar os portadores de carga elétrica dentro de um condutor como vagões em um trem:ligados entre si por uma pequena quantidade de “folga” ou “folga” nos acoplamentos. Quando um vagão (um carregador de carga elétrica) começa a se mover, ele empurra o que está à frente e puxa o que está atrás, mas não antes que a folga seja aliviada dos acoplamentos.

Assim, o movimento é transferido de um vagão para outro (de um portador de carga elétrica para outro) a uma velocidade máxima limitada pela folga de acoplamento, resultando em uma transferência muito mais rápida de movimento da extremidade esquerda do trem (circuito) para a extremidade direita do que a velocidade real dos carros (portadores de carga elétrica):(Figura abaixo)

O movimento é transmitido sucessivamente de um carro para o outro.

Outra analogia, talvez mais adequada para o assunto das linhas de transmissão, é a das ondas na água. Suponha que um objeto plano em forma de parede seja repentinamente movido horizontalmente ao longo da superfície da água, de modo a produzir uma onda à sua frente.

A onda viajará conforme as moléculas de água colidem umas com as outras, transferindo o movimento das ondas ao longo da superfície da água muito mais rápido do que as próprias moléculas de água estão realmente viajando:(Figura abaixo)

Movimento das ondas na água.

Da mesma forma, o movimento dos portadores de carga elétrica "acoplamento" viaja aproximadamente à velocidade da luz, embora os próprios portadores de carga elétrica não se movam tão rapidamente. Em um circuito muito longo, essa velocidade de “acoplamento” se tornaria perceptível para um observador humano na forma de um curto intervalo de tempo entre a ação do interruptor e a ação da lâmpada.



REVER:

• Em um circuito elétrico, o movimento dos portadores de carga elétrica "acoplamento" viaja aproximadamente à velocidade da luz, embora os portadores de carga elétrica dentro dos condutores não viajem em qualquer lugar perto dessa velocidade.

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