by 
Κλείνοντας τον διακόπτη με ποιά σειρά θ΄ ανάψουν τα λαμπάκια;
Τα καλώδια είναι υπεραγώγιμα και το μήκος τους μερικές εκατοντάδες χιλιάδες χιλιόμετρα !
====================================
Η ερώτηση προέκυψε από την παρακολούθηση ενός βίντεο από ένα ομολογουμένως εξαιρετικό κανάλι όπου αναλύονται διάφορα φυσικά φαινόμενα. Παρακολουθώντας το βίντεο αλλά και διαβάζοντας τις αναφορές σε κείμενα του Feynman ομολογώ ότι δεν κατάλαβα αρκετά πράγματα. Το βασικό ερώτημα είναι ποιός είναι ο μηχανισμός μετάδοσης της ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα καλώδιο. Αν το ρεύμα είναι DC μπορούμε άραγε να χρησιμοποιήσουμε το διάνυσμα Poynting;
(Visited 1,612 times, 1 visits today)
Καλησπέρα Πάνο.
Είδα το βίντεο και, παρότι μάλλον θα απαντούσα λάθος στο ερώτημα, δεν διαπίστωσα κάτι παράδοξο.
Λογική μου φαίνεται η ερμηνεία …
Ίσως ποτέ δεν ψάξαμε την πραγματική αιτία.
Τελικά με ποια σειρά πιστεύεις ότι θ’ ανάψουν τα λαμπάκια Διονύση;
Καλησπέρα Πανο και Διονύση.
Θα ανάψουν πρώτα τα πλησιέστερα και τελευταίο το δεξί;
Δεν είχα ακούσει κάτι σχετικό.
Καλησπέρα συνάδελφοι.
Πάνο, ας προσπαθήσουμε να το αποφορτίσουμε.
Τι διδάσκαμε τόσα χρόνια; Λέγαμε ότι μόλις κλείσουμε το διακόπτη διαδίδεται ένα ηλεκτρικό πεδίο που θέτει σε κίνηση τα ελεύθερα ηλεκτρόνια σε όλο το κύκλωμα και ο χρόνος απόκρισης είναι ελάχιστος (d/c), άρα πρακτικά ακαριαία θα άναβαν τα λαμπάκια. Και αν δεν λέγαμε «διαδίδεται» λέγαμε πάντως ότι στο εσωτερικό του σύρματος στο κύκλωμα εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο δημιουργεί η πηγή και, αυτό θέτει σε κίνηση τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αν μας ζόριζαν πόσο είναι αυτό το “ακαριαία, βάζαμε στην απάντησή μας και το c…
Τι το νέο φέρνει το βίντεο σε αυτό; Ότι δεν διαδίδεται μόνο ένα ηλεκτρικό πεδίο, αλλά ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, το οποίο δεν είναι μόνο στο εσωτερικό του σύρματος, αλλά και στο εξωτερικό. Είναι λογικό;
Γιατί να μην είναι; Πού είναι η λάθος σκέψη;
Γιατί να μιλάμε μόνο για ηλεκτρικό πεδίο και όχι για ηλεκτρομαγνητικό κύμα, το οποίο διαδίδεται κυρίως με οδηγό το σύρμα, αλλά κύμα είναι, γιατί να μην διαδοθεί και στον αέρα, οπότε η λάμπα του κυρίου, σε απόσταση 1m, να μην περιμένει το κύμα να διατρέξει όλο το κύκλωμα, παρά να ανάψει «σχεδόν αμέσως »;
Μας παραξενεύει βέβαια η ενέργεια να διαδίδεται στο χώρο και όχι στο εσωτερικό του αγωγού, αλλά παρότι το βλέπω για πρώτη φορά, δεν μου ακούγεται τρελή ιδέα. Μπορεί και να μην ισχύει, αλλά δεν μπορώ να το απορρίψω… ενώ τα λεγόμενά του για την κατεύθυνση ροής ενέργειας με την χρήση του ανύσματος Poynting, μου ενισχύει την τάση να αποδεχτώ όλη την ιστορία του.
Διονύση ομολογώ ότι βλέποντας το βίντεο μου γεννήθηκαν πολύ περισσότερες απορίες από ότι μου έλυσε το βίντεο. Ομολογώ επίσης ότι δεν έχω εμπεριστατωμένη απάντηση στην ερώτηση που έβαλα σχετικά με το ποια λαμπάκια θ’ ανάψουν πρώτα.
Μερικές απορίες που μου δημιουργήθηκαν από την παρακολούθηση του βίντεο του Veritasium.
Ο Καρούμπαλος στο μεταπτυχιακό της Ραδιοηλεκτρολογίας μας είχε μάθει ότι όχι μόνο η ενέργεια δεν μεταδίδεται μέσω του αέρα στα καλώδια αλλά αντιθέτως ότι βγαίνει από αυτά στον αέρα χάνεται. Είναι απώλεια. Έτσι για να περιορίσουμε τις απώλειες στα καλώδια λόγω ακτινοβολίας υιοθετήσαμε διεθνώς τα 50Hz. Η συχνότητα αυτή είναι τόσο μικρή ώστε να μην βλέπουμε τις λάμπες πυρακτώσεως να αναβοσβύνουν. Και αυτό γιατί η ισχύς ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα καλώδιο είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερη και η συχνότητα του ρεύματος. Αν το ρεύμα είναι συνεχές δεν εκπέμπεται έξω από το καλώδιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Το τι ακριβώς γίνεται μέσα στο καλώδιο και αναγκάζονται τα ηλεκτρόνια να κινούνται προς κάποια κατεύθυνση, νομίζω ότι δεν μπορεί ν’ απαντηθεί στα πλαίσια της μακροσκοπικής θεωρίας του Maxvell.
Πολύ καλό το video. Φαίνεται να έχει δίκιο. Θα απαντούσα λάθος.
Καλησπέρα Πάνο,
το συγκεκριμένο βίντεο αποδίδει σωστά, κατά την άποψή μου, την μετάδοση ενέργειας σε ένα κύκλωμα.
Απευθύνεται βέβαια σε φυσικούς και όχι σε ηλεκτρολόγους μηχανικούς. Δεν βλέπω τον λόγο να υπολογίσει κάποιος την μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας με το διάνυσμα Poynting!
Πρόκειται για ένα νοητικό πείραμα, όπου θεωρούμε ότι τα καλώδια σύνδεσης είναι μηδενικής αντίστασης (υπεραγώγιμα) και ότι το κύκλωμα περιβάλλεται από κενό. Συνεπώς δεν υπάρχουν ενεργειακές απώλειες τόσο στα καλώδια (αν είχαν αντίσταση θα υπήρχε μία συνιστώσα του διανύσματος Poynting κάθετη προς τα καλώδια, όπως υπάρχει στην περίπτωση της λάμπας), όσο και εκτός κατά την διάδοση του Η/Μ κύματος. Στόχος του είναι να αναδείξει ότι το μηχανικό ανάλογο για την ροή των ηλεκτρονίων σε ένα κύκλωμα, δεν είναι η ακριβής εικόνα.
Θα απαντούσα στα ερωτήματα που θέτεις ως εξής:
1. Ναι, ο χρόνος εξαρτάται γραμμικά από την απόσταση μεταξύ της κοντινότερης πηγής και της λάμπας.
2. Ναι, το πλέγμα θα καθυστερούσε την διάδοση του Η/Μ κύματος, άρα και τον χρόνο μετάδοσης της ενέργειας.
3. Το διάνυσμα Poynting υπολογίζεται από το εξωτερικό γινόμενο του ηλεκτρικού με το μαγνητικό πεδίο, S=ExB. Άρα είναι κάθετο στην πηγή και στον αντιστάτη, όπως στο σχήμα (το παρακάτω σχήμα δίνεται και εξηγέιται και στο βίντεο).
4. Το θεώρημα Poynting εφαρμόζεται μακροσκοπικά για την διάδοση του Η/Μ κύματος και την ροή ενέργειας σε αυτό, δεν βλλέπω στο σημείο αυτό κάποιο πρόβλημα.
Ευχαριστώ πολύ για την απάντηση Στάθη. Εξακολουθώ βέβαια να μην καταλαβαίνω πολλά πράγματα. Πχ το διάνυσμα S που είναι αριστερά της πηγής ποιά ενέργεια εκφράζει; Είναι Η/Μ κύμα που πάει αριστερά της πηγής; Και αν πάει αριστερά τότε δεν χάνεται αυτή η ενέργεια στο άπειρο; Στον αντιστάτη τώρα. Τι παριστάνει το S που έρχεται από δεξιά. Από που έρχεται αυτή η ενέργεια; Δεν σου φαίνεται παράξενο ότι ο χρόνος που ανάβει ένα λαμπάκι δεν εξαρτάται από το μήκος του καλωδίου αλλά από την απόσταση της λάμπας από την πηγή; Δηλαδή αν το καλώδιο ήταν μία τεράστια κουλούρα δίπλα την πηγή θα άναβε πολύ πιο γρήγορα από την περίπτωση που ξετυλίγαμε την κουλούρα; Αν θεωρήσουμε ότι η μεταφορά της ενέργειας γίνεται με HM κύματα έχεις δει να μεταφέρεται τόσο μεγάλη ενέργεια με HM εκτός βέβαια αν πρόκειται για ισχυρά laser.
Σημ: Δεν κατάλαβα τι εννοείς λέγοντας ότι απευθύνεται σε Φυσικούς και όχι σε ηλεκτρολόγους μηχανικούς.
Γεια σου και πάλι Πάνο.
Η πηγή και όλο το κύκλωμα, λειτουργεί ως πηγή Η/Μ κύματος (όπως μία κεραία). Το κύμα μεταφέρει ενέργεια σφαιρικά, από την πηγή προς τα έξω. Δεν βλέπω άλλη φυσική σημασία από αυτήν για το S δεξιά από την πηγή.
Από την άλλη, στην πράξη σε ένα απλό κύκλωμα, η ενέργεια που ακτινοβολείται θα σκεδάζεται/απορροφάται πολύ γρήγορα από το περιβάλλον του κυκλώματος. Επίσης δεν ξέρω το κατά πόσον η ακτινοβολούμενη ενέργεια που θα φτάσει πρώτη, θα είναι ικανή να ανάψει την λάμπα (να ακτινοβολήσει τόσο, ώστε να την δούμε πρακτικά να ανάβει).
Υπό αυτήν την έννοια το συγκεκριμένο βίντεο, θεωρώ πως απευθύνεται σε κάποιον που αναζητά μία θεωρητική εξήγηση για την μεταφορά ενέργειας σε ένα απλό κύκλωμα, και όχι σε έναν ηλεκτρολόγο που θέλει να υπολογίσει πρακτικά την ενέργεια αυτήν σε μία γραμμή μετάδοσης.
Καλό το θέμα και απασχολεί ήδη αρκετούς ανθρώπους, πρώτα είδα την ύπαρξη των video που αντιδρούν αρνητικά στο video του καναλιού veritasium και στη συνέχεια αναζήτησα το ίδιο το video.
Πολύ καλό το video και πετυχημένη η προσπάθεια του να χρησιμοποιήσει το διάνυσμα Poynting για να δείξει την φορά διάδοσης της ενέργειας και την ροή της από την πηγή στον καταναλωτή.
Τα video του καναλιού Veritasium απευθύνονται σε ευρύ κοινό, δείτε τις προβολές των video τα likes και τους subscribers. Το κανάλι έπρεπε να δώσει ένα θέμα σχετικό με τον σπόνσορα (τον παρουσιάζει στο τέλος του video) έπρεπε να παρουσιάσει ένα θέμα που θα τραβήξει το ενδιαφέρον και η παρουσίαση του σχεδιάστηκε / βιντεοσκοπήθηκε / και “μονταρίστηκε” (μοντάζ , editing) με σκοπό να “ικανοποιήσει” τα κριτήρια του αλγόριθμου του youtube και να προβληθεί στην πρώτη σελίδα του μέσου θεατή, του καθένα από εμάς.
Το κανάλι του Veritasium είναι ένα από τα κανάλια που αποδεικνύει το ενδιαφέρον που υπάρχει παγκόσμια για θέματα σχετικά με την Φυσική σε αντίθεση με το χαμηλό ενδιαφέρον που υπάρχει κατά μέσο όρο στη χώρα μας.
Σχετικά με την διάδοση του Η/Μ πεδίου σε ένα κύκλωμα άσχετα από αν η διάδοση αυτή πραγματοποιείται εσωτερικά ή εξωτερικά από τον αγωγό, διαδίδεται το πεδίο με ταχύτητα c και όχι φυσικά τα ηλεκτρικά φορτία κάτι που θεωρώ αυτονόητο να το γνωρίζει ένας νέος πολίτης που έχει παρακολουθήσει Φυσική στο λύκειο.
Γεια σας
Διονύση γράφεις: “στο εσωτερικό του σύρματος στο κύκλωμα εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο δημιουργεί η πηγή και, αυτό θέτει σε κίνηση τα ελεύθερα ηλεκτρόνια”.
Το ερώτημα που μου είχε κάποτε δημιουργηθεί ήταν:
“Τι αναγκάζει τα ρέοντα ηλεκτρόνια να ακολουθούν τροχιές σύμφωνες με τις καμπές του αγωγού (μακριά από τη μπαταρία) σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα;”
Μπορεί η μπαταρία που είναι μακρυά να το κάνει, δηλ. να δημιουργήσει το κατάλληλο πεδίο;
Κοντά σε αυτό ήταν και η ερώτηση μαθητή μου “Τι αντιστοιχεί σε μικροσκοπική διάσταση στη διαφορά δυναμικού μεταξύ δυο σημείων ενός αγωγού;”
Καλημέρα Παναγιώτη.
“Το πεδίο που δημιουργεί η πηγή” ήταν τμήμα απάντησης, στο πώς δικαιολογούμε στους μαθητές τη δημιουργία ρεύματος. Και προφανώς είναι μια απλοποιημένη εικόνα.
Όταν μιλάμε για διάδοση πεδίου, το ηλεκτρικό πεδίο αποδίδεται αρχικά σε κάποια ανακατανομή φορτίων που δημιουργεί η παρουσία της πηγής, αλλά από κει και πέρα προκαλείται μια ανακατανομή των φορτίων του αγωγού, (κυρίως των επιφανειακών φορτίων, τα οποία θεωρούνται κυρίως και φορείς του ρεύματος), τα οποία μεταφέρουν και το πεδίο. Αλλά και κάθε επιτάχυνση ενός ηλεκτρονίου, δεν είναι και “μητέρα” ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος που εκπέμπει;
Από κει και πέρα, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δεν βρίσκονται σε μια άτακτη κίνηση και πριν το πεδίο; Το ηλεκτρικό ρεύμα οφείλεται σε κάποια οργανωμένη ροή φορτίων; Μήπως οφείλεται στην ταχύτητα μετάθεσης, που είναι μια πολύ μικρή ταχύτητα του “κοπαδιού” και όχι στην ταχύτητα του ηλεκτρονίου; Και εδώ ας επισημάνω με την ευκαιρία, ότι στο βίντεο που αναφερόμαστε, αντιμετωπίζει το πρόβλημα σε κατάσταση υπεραγωγιμότητας και όχι σε πραγματικές συνθήκες.
Αλλά αν έχουμε μια άτακτη τέτοια κίνηση, τότε δεν βλέπω γιατί το λύγισμα του σύρματος, θα προκαλούσε πρόβλημα στη διέλευση του ρεύματος. Σε ένα σωλήνα ροής νερού, θα συνεχίσει η ροή όταν υπάρξει μια γωνία, ή η ροή θα σταματήσει;
Το μόνο πρόβλημα είναι ότι η ροή μάλλον θα γίνει τυρβώδης, αλλά αν αυτό μεταφερθεί στα ηλεκτρόνια, η “ανωμαλία” αυτή δεν νομίζω ότι μας απασχολεί, τουλάχιστον όταν χρησιμοποιούμε ένα καλώδιο εργαστηρίου.
Το καλώδιο που βυθίζει ο ΑΔΜΗΕ από Αττική για Κρήτη, δεν νομίζω ότι θα έχει τέτοιες γωνίες και σπασίματα…
καλησπέρα σε όλους
(δεν είδα το βίντεο, διότι στα Αγγλικά είμαι κατηγορίας Ζήκου, του αγαπημένου, “ντου γιου λάϊκ μαμαζέλ δη Γκρης;”…)
βασικά συμφωνώ με τον Διονύση, αν τον ερμηνεύω σωστά,
το ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό των αγωγών διαδίδεται πρακτικά ακαριαία
πολύ αυστηρά διαδίδεται με την ταχύτητα του φωτός, αλλά τότε για να γίνει πειραματικά αντιληπτή μια κάποια διαφορά έναρξης λειτουργίας των λαμπτήρων θα πρέπει να έχουμε κύκλωμα με καλώδια καμιά δεκαριά φορές τυλιγμένη τη Γη!
Παναγιώτη, όσο καλοί Πειραματικοί και να είμαστε δυσκολάκι το βλέπω αυτό
ίσως ένα άλλο πείραμα, παραλλαγή, να είχε δυνατότητα πραγματοποίησης
στις κορυφές βουνών, τριών π.χ., που έχουν οπτική επαφή μεταξύ τους, τοποθετούμε σε κατάλληλες θέσεις και με κατάλληλη γωνία επίπεδα κάτοπτρα και κάπου μια πηγή λέηζερ
ανάβουμε το φως της ώστε αυτό να πέσει στο κάτοπτρο 1, να ανακλαστεί από αυτό και να πέσει στο κάτοπτρο 2, να ανακλαστεί από αυτό και να πέσει στο κάτοπτρο 3 κ. ο. κ
όσο για το “τί αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να ακολουθούν τροχιές σύμφωνα με τις καμπές του αγωγού” η γνώμη μου είναι ότι το ηλεκτρικό πεδίο “θέλει” μέσον, δρόμο, για να διαδοθεί, και είναι και επιλεκτικό κιόλας, “προτιμά” τον μεταλλικό αγωγό παρά τον αέρα, παρόμοια που το μαγνητικό πεδίο “προτιμά” το σιδηρομαγνητικό υλικό
Βαγγέλη γεια σου
Το ηλεκτρικό πεδίο θεωρώ ότι “δεν έχει προτιμήσεις”. Διαμορφώνεται από από φορτία κατάλληλα τοποθετημένα.
φίλε, εικάζω,
δεν αποκλείω τίποτα,
διότι οι Πειραματικοί είμαστε “αεί ψαχνόμενοι”,
λέω εγώ τώρα…
Γράφεις αγαπητέ Στάθη
Ναι, ο χρόνος εξαρτάται γραμμικά από την απόσταση μεταξύ της κοντινότερης πηγής και της λάμπας.
Ερωτήσεις που μου δημιουργούνται:
1. Σύμφωνα με τα λεγόμενά σου τα λαμπάκια που βρίσκονται στο μέσο της διαδρομής και απέχουν εξίσου από την πηγή θ’ ανάψουν ταυτόχρονα. Άρα θα ξεκινήσουν δύο κύματα από την πηγή ή αν θες ένα κύμα αλλά και προς τις δύο κατευθύνσεις. Όταν το ένα μέρος του κύματος συναντηθεί με το άλλο τι θα συμβεί στο σημείο συνάντησης;
2.Ποια θα είναι η αφετηρία του κύματος; Η πηγή ή ο διακόπτης; Αν ο διακόπτης βρίσκεται 1 έτος φωτός από την πηγή πως θ’ αντιληφθεί ακαριαία η πηγή ότι έκλεισε ο διακόπτης ώστε να δημιουργήσει το κύμα και να το στείλει προς τα λαμπάκια; Αν πάλι πηγή του κύματος δεν είναι η πηγή αλλά ο διακόπτης, τότε ο χρόνος που θ’ ανάψουν τα λαμπάκια δεν θα εξαρτάται από την απόσταση της πηγής από τα λαμπάκια αλλά του διακόπτη από αυτά.
3.Έξω από ένα εργοστάσιο της ΔΕΗ υπάρχουν δύο καλώδια. Μετράω την τάση και τη βρίσκω 10000V. Μετράω και το ρεύμα και το βρίσκω 10Α. Τότε λέω ότι το εργοστάσιο αυτό παρέχει ισχύ 100KW. Αν η ενέργεια που παρείχε το εργοστάσιο δεν πήγαινε μέσα από τα καλώδια αλλά μέσω του αέρα τι μετρήσεις θα έκανα στον αέρα για να βρω την ισχύ του εργοστασίου;
Καλημέρα συνάδελφοι και καλή Κυριακή.
Για να επιστρέψουμε στον βασικό θέμα του βίντεο και παρά την αρχική μου θετική «αποδοχή», θα μπορούσαμε να ελέγξουμε την πρακτική βασιμότητα της θέσης, με το παρακάτω κύκλωμα.
Αν κλείσουμε το διακόπτη, η λάμπα Λ1 θα ανάψει. Θα ανάψει και η Λ2 αφού θα πάρει ενέργεια μέσω του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που εκπέμπεται από την πηγή προς τα δεξιά;
Ή μήπως θα ανάψει η Λ3, την οποία τοποθετήσαμε πολύ κοντά στο σύρμα;
Νομίζω ότι δεν θα χρειαστεί να πάμε στο εργαστήριο, αφού ξέρουμε την απάντηση.
Όταν κλείνω τον διακόπτη στο δωμάτιό μου, δεν ανάβει η λάμπα στο διάδρομο…
Ποιός μπορεί να διαφωνήσει στα λεγόμενά σου Διονύση; Παρακάτω δύο βίντεο που προβάλλουν τις διαφωνίες τους στο αρχικό βίντεο.
https://www.youtube.com/watch?v=AKunJO35Od0&ab_channel=SpinUpSciencewithDrBenMiles
https://www.youtube.com/watch?v=-lmAZB9xKUE&ab_channel=YongTuition
και άλλο ένα:
https://www.youtube.com/watch?v=-jJB8dyOJIw&ab_channel=Tycho