스위치로 제어되는 간단한 1개 배터리, 1개 램프 회로가 있다고 가정해 보겠습니다. 스위치를 닫으면 램프가 즉시 켜집니다. 스위치를 열면 램프가 즉시 어두워집니다. (아래 그림)
램프가 스위치에 즉시 반응하는 것 같습니다.
사실 백열전구는 충분한 전류를 공급 받아 필라멘트가 예열되고 빛을 내는 데 시간이 걸리므 로 효과는 즉각적이지 않습니다. 그러나 제가 집중하고 싶은 것은 램프 필라멘트의 응답 시간이 아니라 전류 자체의 즉각성입니다.
모든 실제적인 목적을 위해 스위치 동작의 효과는 램프의 위치에서 즉각적입니다. 전하 캐리어가 전선을 통해 매우 느리게 이동하지만, 전하 캐리어가 서로를 밀어내는 전반적인 효과는 빛의 속도(초당 약 186,000마일 ! )로 발생합니다.
하지만 램프에 전력을 공급하는 전선의 길이가 186,000마일이라면 어떻게 될까요? 우리는 전기 신호가 유한한 속도(매우 빠르지만)를 가지고 있다는 것을 알고 있기 때문에, 매우 긴 전선 세트는 회로에 시간 지연을 도입하여 램프에서 스위치의 동작을 지연시킬 것입니다. (아래 그림)
빛의 속도에서는 램프가 1초 후에 반응합니다.
램프 필라멘트의 예열 시간이 없고, 두 전선의 372,000마일 길이에 걸쳐 저항이 없다고 가정하면, 스위치를 닫은 후 약 1초 후에 램프가 켜질 것입니다.
길이가 372,000마일인 초전도 선을 만들고 작동시키는 것은 엄청난 실제적 문제를 야기할 것이지만, 이론적으로는 가능하므로 이 "사고 실험"은 타당합니다. 스위치를 다시 열면 램프는 스위치가 열린 후 1초 동안 계속 전원을 공급받고, 그 후에는 전원이 꺼집니다.
이를 상상하는 한 가지 방법은 도체 내의 전하 운반자를 기차의 철도 차량으로 상상하는 것입니다. 커플링에 약간의 "느슨함" 또는 "유격"이 있는 상태로 서로 연결되어 있습니다. 한 철도 차량(전하 운반자)이 움직이기 시작하면 앞에 있는 철도 차량을 밀고 뒤에 있는 철도 차량을 당기지만, 커플링에서 느슨함이 해소되기 전에는 그렇지 않습니다.
따라서 운동은 커플링 여유로 제한되는 최대 속도로 차량에서 차량으로(한 전하 운반자에서 다른 전하 운반자로) 전달되며, 그 결과 차량(전하 운반자)의 실제 속도보다 기차(회로)의 좌측 끝에서 우측 끝으로의 운동 전달이 훨씬 더 빠르게 이루어집니다. (아래 그림)
동작은 한 차량에서 다음 차량으로 연속적으로 전달됩니다.
아마도 전송선 주제에 더 적합한 또 다른 비유는 물 속의 파동입니다. 평평하고 벽 모양의 물체가 갑자기 물 표면을 따라 수평으로 움직여 그 앞에 파동을 생성한다고 가정해 보겠습니다.
파동은 물 분자들이 서로 부딪히면서 이동하며, 물 분자 자체가 실제로 이동하는 것보다 훨씬 빠르게 물 표면을 따라 파동 운동을 전달합니다. (아래 그림)
물 속의 파동 운동.
마찬가지로, 전기 전하 캐리어의 운동 "결합"은 대략 빛의 속도로 이동하지만 전기 전하 캐리어 자체는 그렇게 빨리 움직이지 않습니다. 매우 긴 회로에서 이 "결합" 속도는 스위치 동작과 램프 동작 사이의 짧은 시간 지연의 형태로 인간 관찰자에게 눈에 띄게 됩니다.
검토:
- 전기 회로에서 전하 운반자의 운동 '결합'은 대략 빛의 속도로 이동하지만 도체 내의 전하 운반자는 그 속도에 근접하지도 않습니다.