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電気回路の豆電球
vq100mgの回答
豆電球の点灯の順番は、ご友人の仰る通り、１と４が同時＞３＞２ で概念的に正しいです。 [豆電球１]―――――――――[豆電球２]―― | | | ―――――――――――――― [電源] [豆電球４] | ―――――――――――――― | | ――――――――[豆電球３]――――――― 上図の幾何構造を針金で組めばそうなるでしょう。ただし、この形では４本の電線の間に電磁界の結合があるので、説明が大変です。主旨が変化せぬ範囲でエッセンスを残して、モデルを簡単にしましょう。４本の電線を、上の２本と下の２本に分けて考えます。それぞれは伝送線路と呼ばれるものになります。現実的には電源コード、あるいはツイストペア線のようなものです。伝送線路を形成する２本の線の間隔に対し、他の伝送線路までの間隔が大きければ、２つの伝送線路の間に干渉はほとんどありません。 [豆電球１]―――――――――[豆電球２]―― | 伝送線路１ | | ―――――――――――――― | | [電源] [豆電球４] | | | ―――――――――――――― | 伝送線路２ | ――――――――[豆電球３]――――――― 電気というエネルギの伝わり方を正確に表現しますと、電線の中を電子が流れる事によって伝わるのではありません。エネルギはペアの導体に挟まれた空間を伝わるのです。ポインティング・ベクトルと言います。ペアの導体の役目は電磁エネルギを溝のように拘束するガイドレールであって、拘束する為に電子の流れ、つまり電流が生じるのです。伝送線路にエネルギを送り込む時、ペアの片方に電流が流れていて、他方に流れていないなどという状況は有り得ません。つまりエネルギの伝わる方向と、電流あるいは極性とは何の関係もありません。伝送線路に繋いだ電源をＯＮすれば、エネルギが光速あるいは近い速度、で伝送線路の入り口から奥へ徐々に満たされていきますが、その区間においてのみ電線にペアで仲良く反対方向の電流が生じるのです。 これで、１＞３＞２ の点灯順が説明できたと思いますが、豆電球４について補足しておきましょう。 伝送線路に電圧を掛けた瞬間、伝送線路は抵抗に見えます。特性インピーダンスZoと言い、電源コードやツイストペア線だと、100Ωのオーダーです。電源を立ち上げた瞬間、豆電球４を主体にした回路は、次のように書けます。 [豆電球１]―― | | | [抵抗Zo] | | [電源] [豆電球４] | | | [抵抗Zo] | | ――――――― 従って、豆電球１と４は同時、そして、この図の分圧で抵抗Zo両端に生じた電圧が伝送線路の中に伝播していきます。伝播にしたがって電流がペアで流れている部分は奥へと進み、それに応じて他の豆電球がついていくということです。 なお、「豆電球というのは比喩でただ電流の流れる順番・・・」と仰ってますので、詳細は割愛しますが、上の説明はエネルギの「第一波」の到着時刻に関するものです。豆電球に掛かる電圧は決して第一波で安定するものではありません。それは豆電球の抵抗による伝送線路の不整合と、短絡終端された伝送線路の反射によって生じます。
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