To spørsmål (lys, og elektroner i strøm)

[Czo]

Hei godtfolk.

Er et par ting jeg kom til å gruble på, som jeg tenkte at noen vitende folk her kanskje kunne hjelpet til med.

 

Èn: Hvis en lyspære beveger seg i lysets hastighet, vil den ikke lengre ha mulighet til å lyse "fremover"?

 

To: Forenklet, som vi lærte på skolen anngående strøm. I et batteri, er det atomer i den ene enden som ønsker å kvitte seg med et elektron (-) enden, og atomer i den andre enden, som ønsker enda et elektron (+) enden. ref åtteregelen.

Når batteriet kobles til en sluttet krets, vil elektronene fra (-) enden begynne å hoppe over til neste atom, som igjen gir fra seg et atom til nestemann, osv helt til den andre enden av batteriet (+). Som å putte en ert i et rør fyllt med erter; det spretter ut en ert i det det kommer inn en ert.

 

Det jeg lurer på her, er som følger: hva er det som trigger denne reaksjonen til å settes igang? Altså, hva er det som gjør at atomene i (-) enden, er klar over at det er "fri bane" til et atom som ønsker enda et elektron? Er det et slags "trykk" i atomene i (-) enden, og et slags "vakuum" i atomene i (+) enden?

 

OG, om dette er tilfelle, betyr dette at den samme reaksjonen ville skjedd om man hadde 9 elektroner i det ytterste skallet på atomene i (-) siden, og bare 6 elektroner på atomene i (+) siden?

 

På forhånd, takk

[Hårek]

1. Lyset beveger seg fremdeles med lyshastighet. Det er vanskelig å forstå, men det fremgår av relativitetsteorien. Når man nærmer seg lyshastigheten (som man aldri kan oppnå) vil tid og rom (alt) forandres, bare lyshastigheten er fremdeles den samme.

 

2. I en elektrisk leder er det overskudd av frie elektroner. Drivkraften er den elektromagnetiske kraften, som er en av de 4 grunnleggende naturkreftene.

 

 

[SeaLion]

• 1: En lyspære har masse. Ingenting med masse kan ferdes i hastigheten c (lyshastigheten i vakuum), det er kun fotoner som kan ferdes i den hastigheten, fotoner har nemlig ingen hvilemasse, de veier altså absolutt ingenting i utgangspunktet. Fotonene veier imidlertid litt når de ferdes i hastigheten c, men de kan det fordi de ikke akselereres opp til c, men ferdes med denne hastigheten i det samme øyeblikket de oppstår. Nok om det.

 

Vi må altså anta at lyspæra kun kan ferdes i f.eks 9,9999% av c. En lystråle som sendes forover fra ei sånn lyspære vil imidlertid ikke forlate pære med 0,0001c, slik man kanskje kunne tro, men den ville forlate pæra med 1c, verken mer eller mindre. Og hvis noen stod et sted lengre framme og målte hastigheten på denne lysstrålen så ville ikke vedkommende måle 1,9999c slik man kanske skulle tro, men kun 1c.

 

Lyshastigheten i vakuum er alltid c, uansett hvor fort lyskilden eller observasjonspunktet beveger seg i forhold til hverandre. Det er dette som kalles relativitet, og dette er bekreftet utallige ganger i konkrete målinger. Dette fenomenet er altså ikke "bare en teori", men en grunnleggende egenskap med den verdenen vi lever i. Det er en "naturlov".

[SeaLion]

Apropos • 2:

Elektronene i ledningen beveger seg i rask gangfart, altså under 10 km/t. Likevel overføres strømmen i nesten lyshastigheten.

 

Sammenhengen kan lettest forklares med røret du nevnte med erter i, eller stålkuler. Straks man dytter inn ei kule i den ene enden så faller det ut en kule i den andre enden (i virkeligheten er det en liten forsinkelse fordi kulene deformeres litt i det de påvirkes av dyttet og overfører dyttet videre til neste kule). Hver kule har kun beveget seg én kulelengde framover (elektronbevegelsen fra atom til atom), men virkningen er overført så godt som umiddelbart (strømmen).

 

Fordi elektronene faktisk går såpass sakte gjennom ledningene og fordi strømmen skifter retning 100 ganger per sekund i våre vekselstrømsnett (hver periode i 50 Hz vekselstrøm består av at strømmen går både fram og tilbake), så er det faktisk sånn at de elektronene som fantes i ledningene da huset var nytt fortsatt vil være omtrent på samme plass resten av husets levetid. Det er litt coolt å tenke på.

Endret 29. oktober 2010 av SeaLion

[Czo]

Tusen takk for gode utfyllende svar. flott med en slik kompetanse på forumet

 

SeaLion, dog god og spennende info, tror jeg forøvrig du missforstod spørsmålet anngående elektronene som forflytter seg under spenning. Jeg har forståelse for selve mekanikken og hvordan dette fungerer, så jeg skal prøve å formulere spørsmålet litt grundigere.

 

Om vi ser bortifra vekselstrøm, men konsentrerer oss om likestrømmen på et batteri, så skjer det en reaksjon umiddelbart i det batteriet blir koplet til en sluttet krets. Jeg undres over hva det er som signaliserer at atomene skal sette i gang prossessen i å forflytte elektronene sine? For det er jo strengt talt ingen reaksjon mellom batteripolen og ledningen, ledningen fungerer bare som en vei som elektronene kan reise i. Så det kan virke som for meg, at atomene i den ene polen får et slags signal i andre enden av ledningen, som sier "her er vi, og vi vil gjerne ha et elektron hver, har dere noe til overs?" Jo mindre det er et slags "elektron-trykk" i den ene enden, og et slags "elektron-vakuum" i den andre enden?

[Czo]

Ops, glemte å sjekke ut linken din Hårek, beklager det. Gikk litt fort i svingene her. Er jo godt mulig den kan forklare spørsmålet mitt.

[SeaLion]

Det går an å tenke på strøm som vann. Hvis man tenker seg to vannbasseng i ulike nivåer med et rør i mellom, så renner vannet gjennom røret fra det øverste bassenget og ned i det nederste. Så lenge det fortsatt er vann igjen i det øverste bassenget, eller så lenge overflaten i det øverste ligger høyere enn i det nederste, så vil vannstrømmen fortsette å renne gjennom røret.

 

Høydeforskjellen på overflaten i de to bassengene tilsvarer spenningen i strømkretsen (måles i volt). Rørets diameter gir en begrensing på vannstrømmen, dette tilsvarer motstanden i en strømkrets (måles i ohm). Mengden vann som renner gjennom røret i løpet av et visst tidsrom tilsvarer selve strømmen i en strømkrets (måles i ampere). Hvis røret gjøres tynnere (mer motstand), så må man øke høydeforskjellen (spenningen) for at det skal kunne gå like mye vann gjennom røret per tidsenhet (like mye strøm).

 

Hvis det nederste bassenget har et utløp, så vil ikke vannstanden der stige selv om dette bassenget får tilført store mengder vann fra det øverste, det nederste bassenget er dermed "jordet". Det er tilsvarende med elektrisk strøm også.

 

Ved minuspolen på et ferskt/nyladet batteri er det et stort overskudd av elektroner, ved plusspolen er det et underskudd på elektroner. Straks man kobler til en ledning mellom de to polene vil det derfor begynne å vandre elektroner fra minuspolen (det høyeste vannbassenget) gjennom ledningen (vannrøret) og fram til plusspolen (det laveste bassenget). Hvert elektron går egentlig bare bort til neste atom i ledningen, noe som dytter ut et elektron der som vandrer videre til neste atom og så videre.

 

Strømretningen er dog definert som fra pluss til minus, motsatt vei av elektronforflytningene i ledningen. Hvorfor definisjonen er gjort sånn er jeg ikke sikker på. Kanskje strømretningen ble definert før man fant ut at de partiklene som faktisk forflytter seg i ledningen ikke er positive ladninger, men negative elektroner?

[Czo]

@SeaLion, Takk igjen for flott svar. Fin illustrasjon med vannbassengene.

 

Alene fikk jeg den ikke helt til å stemme, men kombinert med Hårek sin forklaring på de 4 forcene, og link, gir den jo faktisk fullstendig mening

 

Om jeg da har forstått det rett:

Vannet i bassenget, opererer med gravitasjon, altså en fysisk force vi er godt kjent med, og som hjernen lett innbiller seg at den forstår. Det gjør også at vannfysikken er lett og forstå. Elektronene opererer ikke med gravitasjon, men med elektromagnetisk force, altså en helt annen fysikk en det hjernen "egentlig er i stand til å forstå", så det blir vanskelig å sammenlikne eksemplene, men det betyr selvfølgelig ikke at det ikke er sånn det bare er. Litt som at høydeforskjellen på bassengene spiller en rolle i hvilken retning vannet renner, på samme måte som overskudd (høyt basseng) og underskudd (lavt basseng) på elektroner i batteriet.

 

Man kan vel tenke på det som at elektronene i batteriet har "gravitasjonen" vridd og vrengt langs ledningen, i retning - til +. Apropo, om jeg husker elektrolæreren min rett, var det nok som du sier, at de fant ut at de partiklene som forflytter seg i ledningen ikke er positive ladninger, men negative elektroner, men ta hukommelsen min med en klype salt

 

 

 

 

 

 

Men anngående lyset igjen.

 

Masse kan som de fleste vet, ikke bevege seg i lysets hastighet, men for å gjøre tankene lettere å forstå, la oss late som det for nå istede for 99.999999999%. Det vil bli så slitsomt å nevne det tallet hele tiden.

 

Det var denne lyspæra som reiser i lysets hastighet igjen (som jeg forstår kan forkortes med c).

 

La oss se for oss to punkter, A og B.

 

A og B er et lysår fra hverandre. Pæra lyser så strekt, at den synes fra begge punkters ende.

 

En observatør (X) befinner seg på punkt B.

 

En observatør (Y) reiser sammen med pæra.

 

Pæra er slått av, og befinner seg på punkt A sammen med Y.

 

Pæra og Y starter å reise i retning B i hastighet c.

 

Pæra slår seg på, etter et 1/2 år (halvveis til punkt B) Dette er nå i forklaringen.

 

For observatør Y vil det bety at lyset fra pæra, reiser fra pæra i c, noe som betyr at lyset vil treffe punkt B om 1/4 år fra nå.

 

Dette lyset må reflekteres tilbake, for at observatør Y kan se det, men i hvilken hastighet reiser lyset tilbake til pæra da? det må jo bli i c fra punkt B? Eller hva er så disse strålene relative til i det de treffer punkt B?

 

Om observatør X også blir truffet av dette lyset om 1/4 år fra nå, må det bety at lysstrålene som treffer ham, er nødt til å treffe ham i c*2, noe som ikke er mulig for observatør X, sant?

[SeaLion]

Lyset vil alltid gå med 1c i forhold til ethvert objekt og enhver observatør. Alltid og uansett.

 

Når man nærmer seg lyshastigheten blir det nemlig feil å regne med pluss og minus. Man må over på varianter av ligningen E=mc² for å finne ut hva som egentlig skjer, der E er energien, m er massen og c er lyshastigheten i vakuum.

[Czo]

Njea, om det blir feil å regne med pluss og minus når man nærmer seg lysets hastighet, må det jo være en grense på hvilken hastighet det blir feil å regne med pluss og minus. Er på det 99%, 90%, 80, eller bare 10% av c det blir feil da?

 

Og siden c alltid vil være c for en hver observatør, betyr det at observatør Y vil se at observatør X får lyset i øynene, mens observatør X aldri har fått lyset på seg, før pæra og Y har nådd frem til X? Og det måtte i såfall bety at observatør Y observerte punkt B i en fryst fremtid, men det kan jo ikke stemme, da observatør Y vil observere punkt B som en tid som går dobbelt så fort, og punkt A som fryst tid.

[SirDrinkAlot]

Generelt kan jeg si at 2 observatører ikke nødvendigvis vil være enig i avstander i tid eller rom. Det er ikke veldig lett å finne ut hva du ikke skjønner, kan hende det er mange forskejllige ting du ikke har helt kontroll over. Svaret på spørsmålet du stiller eksplisitt har du svart på selv slik jeg oppfatter deg. Lyset beveger seg alltid i c uavhengig av observatør. Nå skal jeg lære deg enda en "hemmelighet" så kan du løse alle slike oppaver. Det kalles invarians av romtids intervallet, som betyr at avstanden mellom 2 hendelser i romtiden er konstant for alle observatører. Vi skriver

 

Nå kan du fint finne ut selv hva svaret er selv. Spesiell relativitet er ikke spesielt vanskelig. Her er en grei innføring. Det er som med ordtaket gi en mann en fisk og han er mett en dag. Lær en mann å fiske og han er mett resten av livet.

Bruk 1 time på å lese den innføringa og du kan fint klare å løse alle slike problemer du kan finne på å komme opp med.

Endret 30. oktober 2010 av SirDrinkAlot

[SeaLion]

Njea, om det blir feil å regne med pluss og minus når man nærmer seg lysets hastighet, må det jo være en grense på hvilken hastighet det blir feil å regne med pluss og minus. Er på det 99%, 90%, 80, eller bare 10% av c det blir feil da?

Egentlig er det feil helt fra starten av, alle hastigheter er relative til lyshastigheten i vakuum. Men i de hastighetene menneskene foreløpig har klart å oppnå, selv med romfartøyene sine, kan man ofte hoppe over å regne relativt. For å treffe månen i Apolloferdene på 60- og 70-tallet kunne man derfor bruke klassisk fysikk og Newtons tyngde- og baneligninger. Også når man plasserer satelitter rundt Jorda kan man i de fleste tilfelle bruke klassisk fysikk. For de hastighetene vi klarer å oppnå nede på Jorda med biler, tog og fly er hastighetene så små at det er fullstendig bortkastet å regne relativt. Pluss og minus holder.

 

Det raskeste menneskeskapte romfartøyet noensinne er sonden Voyager 2, som nylig forlot solsystemets yttergrense. Voyager 2 har vært oppe i en fart på ca 45.000 km/t, dette er ca 1/17.000 av lyshastigheten. Men selv i denne høyeste oppnådde hastigheten for menneskeskapte romfartøy er den lokale romtidskrummingen i og rundt Voyager 2 relativt liten.

 

Men: Hadde man brukt klassisk fysikk i ferder mot Mars eller andre planeter, så ville avvikene imidlertid blitt så store at man hadde bommet katastrofalt.

 

Det er forresten ett dagligdags system som ville vært ubrukbart hvis man kun hadde brukt klassiske Newton-ligninger. Det er GPS-systemet. Jorda har et gravitasjonsfelt som er såpass kraftig at romtidskrummingen påvirker systemet, tiden går litt saktere nede på Jorda enn i den høyden over bakken der GPS-satelittene ferdes (ca 20.000 km over bakken).

 

Tidsforskjellen på grunn av lavere gravitasjonsfelt er ca 45µs (mikrosekunder) per døgn (mikrosekunder er milliontedels sekunder). Man må også regne inn GPS-satelittenes banehastighet relativt til lyshastigheten. Dette bremser tiden ombord på satelittene med ca 7µs/døgn. Alt i alt går tiden ombord på GPS-satelittene altså ca 38µs/døgn raskere enn tiden her nede på bakken. Det høres ubetydelig ut, men hvis man ikke hadde tatt med dette i beregningene ville feilvisningen i GPS-systemet faktisk vært ca 10 km/døgn. Og med en sånn feilvisning ville GPS-systemet selvsagt vært ubrukbart.

 

Måten man har fikset dette er ved å utstyre GPS-satelittene med atomur ombord som gikk litt for sakte før oppskytning. Dermed går de noenlunde synkront med GPS-atomurene nede på bakken og feilvisningen er dermed ubetydelig. Fordi satelittbanene i praksis er ellipser, så både banehastighet og høyde over bakken varierer litt, så må man justere satelitt-urene litt av og til, såkalt finkalibrering. Dette gjøres fra GPS-systemets hovedkvarter i USA.

Endret 30. oktober 2010 av SeaLion

[Czo]

See

 

Mye kul fakta dere sitter på.

 

Ser nå at jeg er nødt til å studere invarians av romtidsintervallet før jeg kan dra tråden videre.

Spørsmålet mitt kom kanskje litt utydelig frem, og kan fort bli litt omfattende, så for å forenkle det, når vil Y se lyset treffe punkt B, og når vil X se pæra tennes?

 

 

Tusen takk for svar og linker alle mann!

[SeaLion]

Y, som reiser sammen med pæra, vil måle at lyset fra pæra forlater pæra med 1c framover mot punkt B, der X står. Person X vil måle at lyset treffer B med 1c rett før Y og pæra ankommer B med 0,99999999999c. Det å akselerere Y og pæra opp til 0,99999999999c gjør at Y og pæra blir nesten uendelig tunge, og dette bremser tiden lokalt såpass at målingene går opp. Personen X vil måle at Y og pæra bruker ca et halvt år på reise ½ lysår. Men Y vil oppleve den samme ferden som svært kort tidsmessig, fordi tiden ved pæra er svært bremset på grunn av den høye farten.

Endret 30. oktober 2010 av SeaLion

[Kubjelle]

Modellen med å se på strøm som vann eller erter som dytter på hverandre er en forenkling. At elektronene kræsjer med hverandre er sant, men hovedgrunnen til at strømmen går nesten i lysets hastighet er fordi når du kobler til en spenning vil det oppstå et elektrisk felt.

 

Dessuten er driftshastigheten til elektronene i en ledning ikke i sakte ganghastigheten, den er faktis mye mindre enn det. 10^-4m/s er størrelsesordenen vi snakker om.

[Czo]

Y, som reiser sammen med pæra, vil måle at lyset fra pæra forlater pæra med 1c framover mot punkt B, der X står. Person X vil måle at lyset treffer B med 1c rett før Y og pæra ankommer B med 0,99999999999c. Det å akselerere Y og pæra opp til 0,99999999999c gjør at Y og pæra blir nesten uendelig tunge, og dette bremser tiden lokalt såpass at målingene går opp. Personen X vil måle at Y og pæra bruker ca et halvt år på reise ½ lysår. Men Y vil oppleve den samme ferden som svært kort tidsmessig, fordi tiden ved pæra er svært bremset på grunn av den høye farten.

 

Nais, trur det begynner å gå opp for meg nå. Er så deilig når hjernen blir fóret med kunnskap, og klarer å få det til å gå opp Men er fortsatt vanskelig å få meg selv til å forstå fenomenet fullt ut. Du veit, når man har full kontroll over scenarioet i hjernen.

 

Skal vi se om det har gått opp for meg da: Det vil, som du sier, for observatør X ta 1/2 år for pæra og Y å komme frem til punkt B fra nå. X vil ikke se lyset før (la oss si 10 sek.) før Y er fremme. For at eksistensen til fenomenene skal være gyldig for begge parter, vil det for Y bare ta 10 sek. å reise til det punktet hvor X ser lyset, fra nå.

Blir ikke det så og si riktig?

 

Uansett, skal sette meg ned når jeg er klar å lese litt om invarians, for å få en bedre forståelse over fenomenet

 

 

@Kubjelle:

Fint at du kunne oppdatere hastigheten til elektronene i strøm Men er ikke dette relevant i forhold til amperen da? Finnes det noen satt grense for hvor fort man kan få elektronene til å reise i strøm, under optimale forhold og materier?

[Kubjelle]

Drifthastigheten er relevant i forhold til amperen. Ampere er coloumb per sekund som passerer et tverrsnitt av en leder. Vil elektronene bevege seg fortere vil det passere flere elektroner gjennom tverrsnittet.

 

Elektroner kan få hastighet tett opp mot lysthastigheten hvis de er i såkalte superledere, som er ledere med tilnærmet lik null motstand. Det er slike superledere som brukes i LHC.

[Ljóseind]

[snip]

 

OG, om dette er tilfelle, betyr dette at den samme reaksjonen ville skjedd om man hadde 9 elektroner i det ytterste skallet på atomene i (-) siden, og bare 6 elektroner på atomene i (+) siden?

 

På forhånd, takk

 

Vil bare påpeke at du ikke kan ha 9 elektroner i det ytterste "skallet" i et atom. Alle atomer oppfører seg slik at de trekker til seg elektroner inntil de har fylt det ytterste "skallet" sitt med 8 elektroner. Da har de en edelgass-struktur og vil ikke reagere lett med andre stoffer. Unntakene blir Hydrogen og Helium, som har henholdsvis ett og to elektroner i sitt ytterste "skall" i grunntilstanden.