Signallaufzeit

Wissenschaft Physik
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Hi zusammen!
Folgendes Problem:

Mal bildlich gesprochen:
Auf der linken Seite die Spannungsquelle, auf der rechten eine Lampe.
Die Länge der Kabel sollen jeweils 300.000 km sein ( sprich: hin zur Lampe 300.000 km; zurück zur Spannungsquelle 300.000 km).

Man nehme an, dass die Geschwindigkeit des elektrischen Signals Lichtgeschwindigkeit habe.
Man nehme ferner an, dass die Lampe ohne jede Trägheit sofort bei Stromfluss zu leuchten beginne.

Bei Zeit t=0s schaltet man die Spannungsquelle hinzu.
Wann leuchtet die Lampe? nach 1 Sekunde oder nach 2 Sekunden .Ist also Hin- und Rückweg oder nur der Hinweg zur Lampe entscheidend.

Vielen Dank im Voraus und beste Grüße sagt
Timo

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Die Lampe geht nach 1 Sec. an. Der Beobachter sieht das Leuchten nach 2 Sec.Oder anders .-)

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Hallo,

ich würde sagen nur der Abstand vom Schalter zur Lampe ist entscheidend.
Bevor man den Schalter schließt, sind ja alle Teile des Stromnetzes, die mit dem +Pol der Spannungsquelle verbunden sind auf dem selben Potenzial. Ebenso sind alle Teile des Stromnetzes, die dem -Pol verbunden sind auf dem selben, jedoch niedrigeren Potenzial. Schließt man nun den Schalter breitet sich vom Schalter her eine Störung in Form eines elektrischen Feldes mit Lichtgeschwindikgeit aus. In allen Leiterteilen, die von diesem Feld erfasst werden, setzt der Stromfluss ein.
Sobald dieses Feld also die Lampe erreicht, beginnt diese zu leuchten. Wenn der Schalter direkt neben der Lampe ist, müsste diese direkt brennen. Ist der Schalter neben der Batterie beginnt sie erst nach 1s zu leuchten. (bzw. noch länger, da c in Metallen kleiner ist als in Vakuum)

Gruß
Oliver

4

Hallo Oliver,

ich habe mal wieder einen Einwand, da ich die Sache nicht so einfach sehe :smile:

ich würde sagen nur der Abstand vom Schalter zur Lampe ist
entscheidend.

das ist nur ein Faktor. Zunächst muss man beachten, dass die Leitung einen Wellenleiter darstellt und auch einen Wellenwiderstand besitzt. Damit die Sache überschaubar bleibt, sollte man vorraussetzen, dass der Wellenwiderstand mit dem Lampenwiderstand übereinstimmt. Ansonsten bekäme man mehrfache Kabelreflexionen und die Lampe würde blinken wie eine Lichtorgel. Die Spannungsquelle kann man als ideal, also mit Ri=0 Ohm annehmen. Das ist entscheidend, wenn der Schalter an der Lampe ist. Natürlich soll der ohmsche Kabelwiderstand vernachlässigbar sein.

Bevor man den Schalter schließt, sind ja alle Teile des
Stromnetzes, die mit dem +Pol der Spannungsquelle verbunden
sind auf dem selben Potenzial. Ebenso sind alle Teile des
Stromnetzes, die dem -Pol verbunden sind auf dem selben,
jedoch niedrigeren Potenzial. Schließt man nun den Schalter
breitet sich vom Schalter her eine Störung in Form eines
elektrischen Feldes mit Lichtgeschwindikgeit aus. In allen
Leiterteilen, die von diesem Feld erfasst werden, setzt der
Stromfluss ein.
Sobald dieses Feld also die Lampe erreicht, beginnt diese zu
leuchten.

wobei die Helligkeit nur dann konstant bleibt, wenn es keine Kabelreflexionen gibt.

Wenn der Schalter direkt neben der Lampe ist, müsste
diese direkt brennen.

hier wird es kurios: Die Lampe brennt zunächst mit halber Batteriespannung, um erst nach 2 s mit voller Spannung zu leuchten. Nach dem Einschalten wird die Lampe zunächst aus dem elektrischen Feld zwischen den Kabeln versorgt, wobei die Kabelspannung genau auf die Hälfte zusammenbricht. Nach 1 s erreicht diese Störung die Spannungsquelle, die daraufhin ihren Ausgangsstrom soweit erhöht, dass die Kabelspannung ihren ursprünglichen Wert beibehält. Nach wiederum 1 s ist die Information „Spannungsquelle vorhanden“ an der Lampe angekommen und läßt diese mit voller Leistung leuchten.

Ist der Schalter neben der Batterie
beginnt sie erst nach 1s zu leuchten. (bzw. noch länger, da c
in Metallen kleiner ist als in Vakuum)

wobei sich die für die Ausbreitungsgeschwindigkeit verantwortlichen Felder bei einem verlustlosen Leiter außerhalb des Metalles befinden. Die Geschwindigkeit sollte also c erreichen.

Jörg

5

Wellenleiter & Kurzschlussbrummen
Hallo Jörg,

ich habe mal wieder einen Einwand, da ich die Sache nicht so
einfach sehe :smile:

mein Motto ist eben: think simple! :wink:

[…]

Naja, soviele Einwände waren es ja diesmal nicht. In der Hauptsache stimmst du aber mit mir über ein, dass die Lampe frühstens nach

t=d/c

zu brennen anfängt. Wobei d der Abstand von Schalter zur Lampe ist.
(und von Details wie Leuchtstärke-Zeit-Veralten mal abgesehen.)

Mal, was anderes. Ich wollte dir doch mal vor geraumer Zeit den Artikel aus dem Gerthsen zum Themo Transformatorbrummen schicken. Hier ist er:

„Man könnte das Brummen auf ein Scheppern der Bleche des Trafo-Kerns zurückführen, die ständig mit 50Hz ummagnetisiert werden, also sich mit 100 Hz abwechelnd abstoßen oder nicht. Das mag sein, aber dieser Anteil des Brummens ändert sich kaum mit der Belastung, denn in erster Näherung sind phi und B im Eisen unabhängig von der Belastung, nämlich so groß, dass sie die Primärspannung U1 induzieren: N1 d(phi)/dt=N1 A dB/dt=U1.
Unter Berücksichtung der Kupferversulse, verteilt sich allerdings diese Spannung U1 je nach Belastung verschieden auf den ohmschen und den induktiven Teil: Bei Belastung, also größerem Primärstrom I1, entfällt mehr Spannung auf R1, also müste danach ein besateter Trafo leiser brummen.
Er brummt aber i.allg. lauter!
Das kann nicht am Eisen liegen, sondern an den Wicklungen. Das B-Feld, das die Prmärspule außerhalb des Eisens durchsetzt (Streufeld), hängt vom eigenen Strom I1 ab und ist bei Belastung größer. Nicht ganz fest vergossene Wicklungen, von parallelen Strömen durchflossen, scheppern infolge der gegenseitig wechselnden Anziehung.“

Also ist das Streufeld doch Hauptverursacher.

Gruß
Oliver

6

Hallo Oliver,

ich habe mal wieder einen Einwand, da ich die Sache nicht so
einfach sehe :smile:

mein Motto ist eben: think simple! :wink:

ich denke, der genaue(re) Vorgang ist zu interessant um ihn zu vereinfachen.

[…]

Naja, soviele Einwände waren es ja diesmal nicht. In der
Hauptsache stimmst du aber mit mir über ein, dass die Lampe
frühstens nach

t=d/c

zu brennen anfängt. Wobei d der Abstand von Schalter zur Lampe
ist.
(und von Details wie Leuchtstärke-Zeit-Veralten mal
abgesehen.)

Na gut, dann betrachte es als Ergänzung :wink:

Mal, was anderes. Ich wollte dir doch mal vor geraumer Zeit
den Artikel aus dem Gerthsen zum Themo Transformatorbrummen
schicken. Hier ist er:

An dem Text habe ich eigentlich nichts auszusetzen. Deine Schlussfolgerung kann ich nicht nachvollziehen. Lesen wir ihn also nochmal genau durch:

"Man könnte das Brummen auf ein Scheppern der Bleche des
Trafo-Kerns zurückführen, die ständig mit 50Hz ummagnetisiert
werden, also sich mit 100 Hz abwechelnd abstoßen oder nicht.
Das mag sein, aber dieser Anteil des Brummens ändert sich kaum
mit der Belastung, denn in erster Näherung sind phi und B im
Eisen unabhängig von der Belastung, nämlich so groß, dass sie
die Primärspannung U1 induzieren: N1 d(phi)/dt=N1 A dB/dt=U1.

Hier schreibt er, dass das Magnetfeld im Kern ein annähernd konstantes Brummen erzeugen kann.

Unter Berücksichtung der Kupferversulse, verteilt sich
allerdings diese Spannung U1 je nach Belastung verschieden auf
den ohmschen und den induktiven Teil: Bei Belastung, also
größerem Primärstrom I1, entfällt mehr Spannung auf R1, also
müste danach ein besateter Trafo leiser brummen.

Bei Belastung müßte sich dieser Brummanteil geringfügig reduzieren, weil sich durch den Spannungsabfall am ohmschen Widerstand der Primärspule deren Induktionsspannung und damit auch die magnetische Feldstärke im Kern reduziert.

Er brummt aber i.allg. lauter!

hier schränkt er bereits ein, dass es nicht immer so sein muss.

Das kann nicht am Eisen liegen, sondern an den Wicklungen. Das
B-Feld, das die Prmärspule außerhalb des Eisens durchsetzt
(Streufeld), hängt vom eigenen Strom I1 ab und ist bei
Belastung größer. Nicht ganz fest vergossene Wicklungen, von
parallelen Strömen durchflossen, scheppern infolge der
gegenseitig wechselnden Anziehung."

das müssen wir genau lesen: Es kann also nicht am Eisen liegen, dass er bei Belastung lauter brummt. Es kann aber durchaus am Eisen liegen, dass er schon im Leerlauf laut brummt. Das wird in diesem Text nicht bestritten. In diesem Fall wäre das Hauptfeld im Eisenkern der Hauptverursacher des Brummens.

Also ist das Streufeld doch Hauptverursacher.

Aber nur dann, wenn das Hauptfeld kein nennenswerten Brummanteil produziert.

Jörg

7

Hallo Jörg,

ich denke, der genaue(re) Vorgang ist zu interessant um ihn zu
vereinfachen.

Kommt auf den Fall an, manchmal finde ich es halt schöner gewisse Prinipien wieder zu entdecken als mir die Details anzuschauen.

Also ist das Streufeld doch Hauptverursacher.

Aber nur dann, wenn das Hauptfeld kein nennenswerten
Brummanteil produziert.

Ich bezweifle ja gar nicht, dass das Hauptfeld auch zu einem Brummen führen kann, aber die Trafos mit denen ich so täglich zu tun habe, fangen erst bei Belastung an laut zu werden, während sie im Leerlauf kaum zu hören sind.
In diesen Fällen ist eben das Streufeld der Hauptverursacher.
Ich kenne wirklich keine Ausnahmen, aber ok, diese wird es wohl geben.

Gruß
Oliver