Чому основні закони ланцюга руйнуються на змінного струму високої частоти?

44

Ми тільки починаємо всю радіочастотну сцену, маючи справу з постійним і низькочастотним змінного струму для всіх наших попередніх курсів.

Я розумію, що на високій частоті змінного струму основні закони схем вже не застосовуються, і класичні моделі пасивних компонентів потрібно змінювати. Виправданням цього було те, що при високій частоті передачі змінного струму довжина хвилі стає набагато меншою і іноді може бути меншою, ніж проводка на друкованих плат тощо.

Я розумію, що це проблема при передачі через вільний простір електромагнітними хвилями, але чому це проблема, коли фактичні фізичні дроти та друковані плати керуються джерелом змінного струму? Я маю на увазі це прямий зв'язок, ми не використовуємо електромагнітні хвилі для розміщення вільного простору, тому довжина хвилі та інше не повинні мати значення?

ac high-frequency

— AlfroJang80
джерело

10

У постійному струмі ідеальний індуктор короткий, а ідеальний конденсатор - відкритий. В межах "від постійного струму до денного світла" ідеальний індуктор відкритий, а ідеальний конденсатор - короткий. Якщо ви відкриєте осцилоскоп Tektronix, призначений для верхніх меж продуктивності ГГц, ви зможете побачити провідні шляхи, утворені низкою ємнісних смугастих та провідних блоків, утворених тим, що схоже на простий слід.

— джонк

9

Хвиля потребує часу, щоб дістатися до іншого кінця дроту, ви не думаєте? Якщо у вас є дріт, який триває рік, і ви підключите акумулятор до одного кінця, йому доведеться пройти щонайменше рік, перш ніж акумулятор зрозуміє, що з іншим кінцем немає нічого. І в цей час ваша батарея буде розряджатися в, здавалося б, відкритому контурі.

— користувач253751

3

@EricDuminil Вони також поводяться так, як ви їх будуєте.

— користувач253751

4

@immibis: Так я зазвичай вимірюю опір моїх нескінченно довгих коаксіальних кабелів.

— ПлазмаHH

2

"ми не використовуємо електромагнітні хвилі для пропонування вільного простору" - це технічно неправильно - навіть якщо ви не збираєтесь ними користуватися таким чином, якщо у вас є фізичні дроти та високої частоти змінного струму, то поширення через вільний простір відбувається чи то хочеш ти цього чи ні.

— Петріс

97

Насправді все йде про хвилі. Навіть при роботі з постійним струмом, усім цим керують електричні та магнітні поля та хвилі.

"Основні закони" не руйнуються. Ви вивчили правила - це спрощення, які дають точні відповіді за певних умов - ви ще не вивчили основні закони. Ви збираєтесь вивчити основні закони після використання спрощення.

Частина припущених умов для спрощених правил полягає в тому, що ланцюг набагато менша за довжину хвилі задіяних сигналів. В цих умовах можна припустити, що сигнал знаходиться в одному стані по всій схемі. Це призводить до багатьох спрощень у рівняннях, що описують схему.

Оскільки частоти зростають (або ланцюги збільшуються), так що ланцюг є значною часткою довжини хвилі, це припущення більше не дійсне.

Вплив довжини хвилі на роботу електричних ланцюгів спочатку став очевидним на низьких частотах, але з дуже великими ланцюгами - телеграфними лініями.

Коли ви починаєте працювати з РЧ, ви досягаєте довжини хвилі, щоб розмір ланцюга, який сидить на вашому столі, був помітною часткою довжини хвилі використовуваних сигналів.

Отже, вам починають звертати увагу на речі, які ви могли зручно ігнорувати раніше.

Правила та рівняння, які ви зараз вивчаєте, також застосовуються до більш простих, низькочастотних схем. Ви можете використовувати нові речі для розв’язання більш простих схем - просто потрібно мати більше інформації та вирішувати складніші рівняння.

— JRE
джерело

Паразитарні ефекти недосконалих матеріалів, незначні при НЧ, укусять інженера ВЧ.

— Я

53

Наука класових шкіл також нас кусає: неправильні уявлення про те, що електрика - це окремий вид енергії, що електрони = енергія, або що електрони рухаються зі швидкістю світла, як сказали місіс Фрізл та Білл Най. Насправді всі ланцюги - це хвилеводи, енергія рухається назовні, як ЕМ поля, енергія ланцюга - радіохвилі ELF, і електрони лише трохи хитаються, коли енергетичні хвилі поширюються по нашій схемі. Антени Xmit не змінюють електроенергію в ЕМ поля, це вже поля ЕМ; "електрика" була фотонами протягом усього часу: навіть ланцюги постійного струму мають справу з хвильовою енергією ЕМ-полів.

— wbeaty

Таким чином, нас нас навчили неправильно впродовж усього часу.

— AlfroJang80

3

@ AlfroJango80: Зовсім не назад. Ви дізналися про спрощення, яке працює для багатьох речей. Це досить просто, що ви можете працювати з ним відразу і досить точно, щоб бути корисним.

— JRE

@wbeaty У струмі постійного струму електрони рухаються, хоча, безумовно, << c. Але ви вірні, що це все-таки хвиля, оскільки завжди була напруга запуску без постійного струму, тому FourierTransform протягом усього часу має компоненти частоти.

— Карл Віттофт

26

Основними законами ЕМ є рівняння Максвелла :

\nabla \cdot E = 4 π ρ

$\nabla \cdot \mathbf{E} = 4\pi\rho$

\nabla \cdot B = 0

$\nabla \cdot \mathbf{B} = 0$

\nabla \times E = - \frac{1}{c} \frac{\partial B}{\partial t}

$\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{1}{c} \frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}$

\nabla \times B = \frac{1}{c} (4 π J + \frac{\partial E}{\partial t})

$\nabla \times \mathbf{B} = \frac{1}{c}\left( 4\pi\mathbf{J} + \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}\right)$

Вони завжди були основними законами ЕМ, але на більш низьких частотах ми вважаємо, що рішення цих багатовимірних диференціальних рівнянь є досить важким, і не всім таким корисним для підтримки нашого розуміння схеми. Вам не доведеться посилатися на симетрію, щоб правильно вирішити рівняння для поширення вздовж дроту, якщо різниця чистих між коротким провідником 18га та довгим проводом 0000 становить 0,0000001% щодо поведінки, яка вас цікавить.

Відповідно, люди вже інтегрували ці рівняння для простих випадків, як, наприклад, дроти на низьких частотах, і знайшли рівняння, які ви давали в попередніх класах. Ну, точніше, ми знайшли ці рівняння спочатку, потім знайшли рівняння Максвелла, коли ми просунулися все глибше в ЕМ, а потім врешті показали, що початкові рівняння відповідали Максвеллу.

Особисто мені найкраще досліджувати це на прикладі. Я хотів би взяти приклад із відомого тома: Мистецтво високошвидкісного цифрового дизайну (підзаголовок: Довідник чорної магії). У своєму вступі вони вказують на важливість вибору типу конденсаторів. Вони висувають надзвичайне твердження, що на високих швидкостях конденсатор може бути схожим на індуктор, оскільки його відводи є двома паралельними проводами. Паралельні дроти мають індуктивність.

Якщо ми будемо використовувати поняття імпедансу, ми можемо обчислити вплив паразитичної індуктивності на наш конденсатор. Імпеданс конденсатора , і імпеданс індуктора є . Зараз ми будемо ігнорувати паразитичну стійкість, хоча це важлива деталь у багатьох випадках. Покладіть їх послідовно, і ви побачите опір ланцюга . Як бачите, на високих частотах цей термін CL починає домінувати, завдяки чому вся схема схожа на індуктор. На нижчих частотах, де , ви можете проігнорувати це. На високих частотах ви не можете. $\frac{-1}{\omega C}$ $\omega L$ $\frac{-1}{\omega C} + \omega L = \frac{\omega^2 CL - 1}{\omega C}$ $\omega^2CL \ll 1$

Так само на високих частотах стає важче ігнорувати той факт, що дроти випромінюють ЕМ-випромінювання. На низьких частотах цей ефект є тривіальним, але на високих частотах велика кількість потужності може розсіюватися в самому проводі.

— Корт Аммон
джерело

Корте, коли за відповідь @ τεκ проголосується більше, я проголосую за це.

— Роберт Брістоу-Джонсон

26

Тому що припущення, необхідні для моделі згущених елементів , порушені. Модель з куповим елементом - це те, що дозволяє аналізувати такі пристрої, як резистори, з'єднані вузлами, не враховуючи фізичну компоновку пристроїв та схему.

Модель згущених елементів передбачає:

Зміна магнітного потоку в часі поза провідника дорівнює нулю.

\frac{\partial ϕ_{B}}{\partial t} = 0

${\frac {\partial \phi _{B}}{\partial t}}=0$

Зміна заряду в часі всередині провідних елементів дорівнює нулю.

\frac{\partial q}{\partial t} = 0

${\frac {\partial q}{\partial t}}=0$

Характерна довжина («розмір» вузлів та пристроїв) значно менша за довжину хвилі сигналу, який цікавить.

L_{c} << λ

$L_c << \lambda$

— τεκ
джерело

я не знаю, чому ця відповідь не одна на вершині купи. він безпосередньо і правильно відповідає на головне питання.

— Роберт Брістоу-Джонсон

9

Я згоден - але замість того, щоб просто перераховувати ці рівняння без пояснень, я хотів би побачити, як рівняння Кірхоффа вискакують із рівнянь Максвелла. Розділ 2.3 "Планарної мікрохвильової техніки" Тома Лі робить досить хорошу роботу з цього питання.

— divB

Це відмінна точна відповідь, хоча вона не визначає складних моделей LEM при порушенні правил, але інші відповіді охоплюють це питання.

— Sparky256

Коли традиційна модель ланцюгового елемента не працює на високих частотах, я додаю більше грудочок для імітації моделювання безперервних ліній електропередач на фінішному елементі.

— richard1941

25

Тут є багато складних (і правильних) відповідей. Я додам одну просту аналогію - подумайте про стрілянину:

на відстані 10 см час руху кулі - це просто відстань / швидкість, а точка удару - на лінії, ідентичній осі ствола
на відстані 10 м ви бачите, що куля потрапила в ціль нижче, оскільки гравітація трохи потягнула її вниз, і ви повинні налаштувати свою ціль для неї
на 20 м потрібно більше регулювати, так як гравітація впливає на неї більше
на 100 м ви бачите, що навіть при підрахунку гравітації це не підходить. Чому? Так, є і повітря, і куля теж уповільнена. Також ми бачимо, що куля робить все інше, ніж просто літати прямо, оскільки обертання в поєднанні з нею вертикальною швидкістю стискає повітря з одного боку і кулі танцюють там. Також ми можемо побачити, що він, ймовірно, не є повністю однорідним, що додає до його рухомості ще один фактор
На 1000 м ми можемо побачити, що ще є щось інше - так, Земля обертається, і вона теж рахує
так що йдіть вище, там, де він не закінчив би так швидко пролетіти в землю, скажіть на орбіту і стріляйте туди - знову ж таки рахувати більше - ми забули і про гравітацію Місяця
і на ще більшій відстані ми бачимо, що існує не тільки сила тяжіння Сонця, але і світло, що йде від Сонця, яке трохи його підштовхує і все те, що мають активні частинки, що робить в ньому мало струмів і магетичні поля ...
і в надзвичайно довгих (як міжзоряні) сліди також тяжіння інших галактик (не надихаючи), але наші кулі встигають змінити свою внутрішню структуру, оскільки навіть свинець надзвичайно повільно врізається в інші хімічні елементи шляхом розпаду радіоактивності

Ну, це зараз дуже складно, тому давайте повернемось на відстань 10 см на старті - чи це означає, що формула час = відстань / швидкість не працює? Або не працює наша остаточна надскладна формула?

Ну і обидва роботи, оскільки всі ті елементи, які ми повільно додавали до наших розрахунків, все ще присутні, тільки на такій невеликій відстані різниця настільки мала, що ми навіть не можемо її виміряти. І тому ми можемо використовувати нашу "просту" формулу - яка не зовсім точна, але в деяких розумних умовах дає розумні точні результати (скажімо, до 5 знаків після коми), і ми можемо швидко її навчитися, застосувати її швидко і отримати результати, які є правильними (до 5 знаків після коми) у масштабі, який цікавий для нас.

Те саме стосується постійного струму, повільного змінного струму, радіочастот, надвисоких частот ... кожна наступна - точніша версія попередньої, кожна попередня - спеціальна версія наступної у ситуації, коли малі відмінності такі маленькі, що ми можемо відкиньте їх і отримайте результат «доброго перегляду».

— гілхад
джерело

4

@ gilhad Ця відповідь потребує читання та вивчення для всіх студентів ЗНО.

— analogsystemsrf

11

Я маю на увазі це прямий зв'язок, ми не використовуємо електромагнітні хвилі для розміщення вільного простору, тому довжина хвилі та інше не повинні мати значення?

Це дуже неправильне припущення. Сигнали все ще є ЕМ-хвилями і залишаються ЕМ-хвилями, якщо вони поширюються через вільний простір або провідник. Закони залишаються колишніми.

На з'єднаннях (проводах) в порядку довжини довжини хвилі ви більше не можете використовувати підхід "згущений елемент". Підхід "згуртований елемент" означає, що з'єднання вважаються "ідеальними". Для сигналів високої частоти на відстані в порядку довжини хвилі і більше такий підхід недійсний.

Тому пам’ятайте: закони ЕМ не змінюються, коли ЕМ хвиля рухається через простір або провідник, вони застосовуються в обох випадках. ЕМ-хвилі залишаються ЕМ-хвилями у вільному просторі або в провіднику.

— Бімпелрекіе
джерело

Добре. Я розумію, що електромагнітні хвилі все ще існують при передачі напруг змінного струму через провід, але вони не сприяють фактичному правильному потоку потоку (крім того, щоб трохи зменшити його з протилежним ЕРС). Тоді чому ми повинні відмовитися від усіх наших низькочастотних і постійних моделей, коли по суті струм змінного струму все ще добре проходить через цей провід. Я просто не бачу, як занадто мала довжина хвилі грає, коли у нас є прямий провід від джерела змінного струму та навантаження.

— AlfroJang80

Слід додати, що навіть для найбільш швидкісних сигналів, які можна було очікувати на "звичайній" друкованій платі, згублена модель все ще застосовується, якщо враховувати ємність та індуктивність цілого треку. Зрештою, відстані невеликі.

— Янка

4

@ AlfroJang80, дипольна антена - це лише пара прямих проводів від подачі до їх відкритих кінців. А ще він може передавати та приймати бездротові радіочастотні сигнали. Десь між дуже коротким дротом, який не передає і не отримує ніякої енергії, і чверть хвильовим диполем, який передає і приймає дуже ефективно, має бути середина, де радіаційні ефекти значні, але не є домінуючими.

— The Photon

3

@ AlfroJang80 Подумайте про просту ситуацію, коли "струм" - це просто "рух електронів". Якщо щось змушує перший електрон в дроті починати рухатися, що робить наступний, а наступний - і ті, що на відстані 1 км, якщо це довгий провід - рухатися? Відповідь, електромагнітне поле навколо кожного електрона. Не забувайте, що простий ланцюг з акумулятором, вимикачем та резистором - це не "ланцюг постійного струму" в той момент, коли ви відкриваєте або закриваєте вимикач, тому що струм змінюється - але в першому курсі в ланцюзі постійного струму Аналіз, ви ігноруєте цей факт.

— алефзеро

2

@ AlfroJang80 струм лише половина, а напруга - друга половина. Це ключ. Струм - частина магнетизму хвилі ЕМ, напруга - частина електронних полів. "VI" - це "ЕМ". Всі дроти - хвилеводи! Але ми можемо ігнорувати це, якщо сказати, що хвиля ЕМ насправді є окремим "Е", напругою та "М" струмом. Тоді концентруйтесь лише на постійних напругах / амперах, ігноруйте ЕМ хвилі. Але навіть постійний струм - це хвиля на частоті 0 Гц (або на 0,0001 Гц.). У фізиці ланцюга постійного струму не існує, і все насправді ЕМ-хвилі керуються довгими рядами електронів, при цьому вся енергія "електроенергії" рухається тільки за межами проводів .

— wbeaty

8

Вони не руйнуються, але коли час підйому наближається до 10% або менше затримки розповсюдження для відповідності імпедансу навантаження, важливо через цю довжину хвилі. Опір навантаження інвертується до джерела на 1/4 довжини хвилі, незалежно від того, проводиться він чи випромінюється.

Якщо навантаження не відповідає опору "лінії передачі та джерела", відображення відбуватимуться відповідно до деякого коефіцієнта, який називається втратою віддачі та коефіцієнтом відбиття.

Ось експеримент, який ви можете зробити, щоб продемонструвати проведені хвилі ЕМ.

Якщо спробувати зондувати квадратну хвилю 1 МГц на датчику 10: 1 за допомогою 10-сантиметрового затиску, ви можете побачити коаксіальний резонанс 20 МГц. Так, зонд не відповідає генератору 50 Ом, тому відображення відбуватимуться відповідно до 10 нГ / см земного відведення та спеціального коаксіального зонда 50 пФ / м. Це все ще відповідь на згущений елемент (LC).

Зменшення зонда 10: 1 до менш ніж 1 см до всього лише кінчика шпильки та кільця без довгих затискачів заземлення, підвищує резонансну частоту, можливо, до обмеження зонда та області дії на 200 МГц.

Тепер спробуйте коефіцієнт 1: 1 1 м, що становить 20 нс / м, тому квадратна хвиля 20 ~ 50 МГц на коаксіазі 1 м із зондом 1: 1 побачить відображення на одну частку довжини хвилі та жахливу реакцію квадратної хвилі, якщо тільки закінчується в межах 50 Ом. Це проведене відбиття хвилі ЕМ.

Але врахуйте, що швидкий логічний сигнал із часом підйому на 1 нс може мати опір джерела 25 Ом, і він має смугу пропускання> 300 МГц, тому промах може бути помилкою вимірювання або фактичним невідповідністю імпедансу з відображенням довжини треку.

Тепер обчисліть 5% довжини хвилі 300 МГц при 3e8 м / с для повітря та 2e8 м / с для коаксіального перегляду, і подивіться, які часи затримки розповсюдження, що викликають відлуння від невідповідного навантаження, наприклад, CMOS з високою Z і скажіть доріжки 100 Ом . Ось чому, як правило, потрібні контрольовані опори вище 20 ~ 50 МГц, і це впливає на дзвінок, перестріл або невідповідність імпедансу. Але без цього, тому логіка має настільки велику сіру зону між "0 і 1", щоб дозволити деякий дзвінок.

Якщо якісь слова невідомі, подивіться їх.

— Тоні Стюарт Сунніскігуй EE75
джерело

@PeterMortensen ty

— Тоні Стюарт Sunnyskyguy EE75

7

Хоча на це було відповідено кілька разів, я хотів би додати міркування, що я особисто знаходжу найбільше відкриття очей, і це взяте з книги Тома Лі "Планарна мікрохвильова техніка" (глава 2.3).

Як зазначено в інших відповідях, більшість людей забувають, що закони Кірхоффа - це лише наближення, які дотримуються певних умов (згущений режим), коли передбачається квазістатична поведінка. Як це приходить до цих наближень?

Почнемо з цитат Максвелла у вільному просторі:

\nabla μ_{0} H = 0 (1) \nabla ϵ_{0} E = ρ (2) \nabla \times H = J + ϵ_{0} \frac{\partial E}{\partial t} (3) \nabla \times E = - μ_{0} \frac{\partial H}{\partial t} (4)

$\nabla \mu_0 H=0 \qquad(1) \\ \nabla \epsilon_0 E = \rho \qquad(2) \\ \nabla\times H=J+\epsilon_0 \frac{\partial E}{\partial t} \qquad(3) \\ \nabla\times E=-\mu_0 \frac{\partial H}{\partial t} \qquad(4) \\$

Рівняння 1 зазначає, що в магнітному полі немає розбіжності і, отже, немає магнітних монополів (пам’ятайте моє ім’я користувача ;;-))

Рівняння 2 - закон Гаусса і говорить, що існують електричні заряди (монополі). Це джерела розбіжності електричного поля.

Рівняння 3 - закон Ампера з модифікацією Максвеллса: в ньому йдеться про те, що звичайний струм, а також електричне поле, що змінюється за часом, створюють магнітне поле (а останнє відповідає відомому струму переміщення в конденсаторі).

Рівняння 4 - закон Фарадея і говорить, що мінливе магнітне поле спричиняє зміну (згортання) електричного поля.

Рівняння 1-2 не є важливим для цієї дискусії, але рівняння 3-4 відповідає, звідки походить хвильова поведінка (а оскільки рівняння Максвелла є найбільш загальними, вони застосовуються до всіх схем, включаючи постійний струм): Зміна Е викликає шанс у Н, який викликає зміну E тощо. Чи є терміни зв'язку, які виробляють хвильову поведінку !

Тепер припустимо, що на хвилину mu0 дорівнює нулю. Тоді електричне поле не згортається і може бути виражене градієнтом потенціалу, що також означає, що інтеграл лінії навколо будь-якого закритого шляху дорівнює нулю:

V = \oint E d l = 0

$V = \oint E dl = 0$

Вуаля, це лише польовий теоретичний вираз Закону про напругу Кірхгофа .

Аналогічно, встановлення epsilon0 до нуля призводить до

\nabla J = \nabla (\nabla \times H) = 0

$\nabla J = \nabla (\nabla \times H) = 0$

Це означає, що дивергенція J дорівнює нулю, це означає, що жоден (чистий) струм не може накопичуватися в будь-якому вузлі. Це не що інше, як чинний закон Кірхгоффа .

Насправді epsilon0 і mu0, звичайно, не дорівнює нулю. Однак вони з'являються у визначенні швидкості світла:

c = \sqrt{\frac{1}{μ_{0} ϵ_{0}}}

$c = \sqrt{\frac{1}{\mu_0 \epsilon_0}}$

З нескінченною швидкістю світла умови з’єднання зникнуть і взагалі не буде хвильової поведінки. Однак, коли фізичні розміри системи невеликі порівняно з довжинами хвиль, то кінцевість швидкості світла не помітна (аналогічно тому, що дилатація в часі завжди існує, але не буде помітною для низьких швидкостей і, отже, рівняння Ньютона є наближенням Теорія відносності Ейнштейна).

— divB
джерело

чому так мало оновлень? Мені подобається ця відповідь.

— Neil_UK

1

Електричні сигнали потребують часу для розповсюдження через дроти (та сліди PCB). Завжди повільніше, ніж ЕМ хвилі через вакуум або повітря.

Наприклад, кручена пара в кабелі CAT5e має коефіцієнт швидкості 64%, тому сигнал рухається на рівні 0,64 с, а в наносекунді він буде проходити приблизно 8 ". Наносекунда довгий час в деяких електронних контекстах. Це 4 годин циклів у сучасному процесорі, наприклад.

Будь-яка конфігурація провідників кінцевого розміру має індуктивність та ємність та (як правило) опір, тому її можна наблизити за допомогою згущених компонентів на більш тонкому рівні зернистості. Ви можете замінити дріт на індукторні серії та резистори з 20 конденсаторами до площини заземлення. Якщо довжина хвилі дуже коротка в порівнянні з довжиною, можливо, вам знадобиться 200 або 2000 або .., що б близько не наблизило провід та інші методи можуть почати виглядати привабливо, як-от теорія лінії електропередачі (як правило, курси нижчого рівня в семестрі для ЕЕ) .

"Закони", такі як KVL, KCL - це математичні моделі, які дуже точно наближають реальність за відповідних умов. Більш загальні закони, такі як рівняння Максвелла, застосовуються більш загально. Можуть бути деякі ситуації (можливо, релятивістські), коли рівняння Максвелла вже не дуже точні.

— Спехро Пефаній
джерело

2

Рівняння Максвелла можна модифікувати (Лоренц-Фіц-Джеральд), щоб зробити їх інваріантними в умовах релятивістських перетворень. Якщо ви читаєте німецьку (як і я), то це, мабуть, найкращий короткий огляд перетворених рівнянь, які я можу швидко знайти. Мені також це подобається .

— джонк

1

Це є хвилею. Те саме, що відбувається тут, - це те саме, про що говорять, коли згадується про те, як «електрика рухається зі швидкістю світла», хоча електрони «рухаються» набагато повільніше. Насправді це майже 2/3 (IIRC) швидкості світла у більшості провідних матеріалів - так це близько 200 000 км / с. Зокрема, коли ви кидаєте вимикач, наприклад, ви направляєте електромагнітну хвилю вниз по ланцюгу, через що електрони підбурюються до руху. У цьому випадку це "крокова" хвиля - за нею поле стійко високе, попереду нього - нуль, але як тільки він пройде, електрони зараз рухаються. Хвилі рухаються в середовищі з меншою швидкістю, ніж у вільному просторі, але вони все одно проходять через носії - ось, зрештою, світло може проходити через скло.

У цьому випадку джерело напруги постійно «накачується» туди-сюди і, таким чином, встановлює коливальні хвилі, які точно так само рухаються з однаковою швидкістю. На низьких частотах, як 60 Гц, довжина цих хвиль набагато більша, ніж масштаб одного пристрою в масштабі людини, а саме для цієї конкретної частоти близько 3000 км (200 000 км / с * (1/60 с)), проти, можливо, 0,1 м (100 мм) для типової портативної плати, що означає приблизно коефіцієнт масштабу 30 000 000: 1, і таким чином ви можете трактувати її як рівномірний струм, який періодично змінюється.

З іншого боку, скажімо, що говорять про 6 ГГц - настільки мікрохвильові радіочастотні програми, як у технології передачі телекомунікацій - і тепер довжина хвилі в 100 мільйонів разів коротша, або на 30 мм. Це набагато менше, ніж масштаб ланцюга, хвиля важлива, і вам зараз потрібні складніші електродинамічні рівняння, щоб зрозуміти, що відбувається, і хороший оле "Кірхгоф просто більше не ріже гірчицю :)

— Симпатизатор
джерело

1

Простіша відповідь: адже паразитичні компоненти, які не намальовані у вашій схемі, починають грати роль:

серійний опір (ШОЕ) та серійна індуктивність конденсаторів,
підвищення опірності проводів завдяки шкірному ефекту,
паралельне демпфування (вихрові струми) та паралельну ємність індукторів,
паразитична ємність між вузлами напруги (наприклад, між слідами PCB, включаючи "землю"),
паразитична індуктивність струмових петель,
пов'язана індуктивність між поточними петлями,
зв’язок магнітних полів між незахищеними індукторами, що може залежати від випадкової полярності розміщення компонентів,
...

Це також тема ЕМС, дуже важлива, якщо ви хочете побудувати схеми, які фактично працюють у цій галузі.

Крім того, не дивуйтеся, якщо ви навіть не можете оцінити, що відбувається. Вище МГц або близько того стає правильним підключенням зонда осцилографа.

— StessenJ
джерело

1

Ви отримали безліч відмінних відповідей на своє запитання, тому я не повторюю вже сказане.

Я спробую замість ваших коментарів адресувати різні відповіді. З опублікованих коментарів вам здається, що ви маєте основне нерозуміння фізичних законів, що регулюють схеми.

Ви, здається, думаєте, що «переміщення електронів у дроті» - це щось зовсім не пов’язане із хвилями ЕМ. І що хвилі ЕМ грають лише у певних ситуаціях чи сценаріях. Це в основному неправильно.

Як говорили інші, рівняння Максвелла (МЕ відтепер) є ключем до справжнього розуміння проблеми. Ці рівняння здатні пояснити кожне відоме людству явище ЕМ, за винятком квантових явищ. Тому вони мають дуже широке коло застосування. Але це не головний момент, який я хочу зробити.

Те, що ви повинні розуміти, - це те, що електричні заряди (наприклад, електрони) породжують навколо себе електричне поле саме завдяки їх існуванню. І якщо вони рухаються (тобто якщо вони є частиною електричного струму), вони також генерують магнітне поле.

Подорожі хвилі ЕМ (те, що звичайні люди зазвичай розуміють як "хвилі" ЕМ) - це лише поширення змін електричного та магнітного полів у просторі ("вакуум") або будь-якого іншого фізичного середовища.

В основному саме так кажуть МЕ.

Більше того, МП також повідомляють, що коли поле змінюється (будь то електричне чи магнітне), тоді "автоматично" виникає інше поле (і воно також змінюється). Ось чому електромагнітні хвилі називаються електромагнітними : електричне поле, що змінюється за часом, передбачає існування магнітного поля, що змінюється за часом, і навпаки. Не може бути мінливого E-поля без змінного M-поля і, симетрично, не може бути мінливого M-поля без супровідного мінливого E-поля.

Це означає, що якщо у вас є струм в ланцюзі, а цей струм не є постійним струмом (інакше він генерує лише статичне магнітне поле), ви будете мати хвилю ЕМ у всьому просторі, що оточує шлях струму . Коли я кажу "у всьому просторі", я маю на увазі "весь фізичний простір", незалежно від того, які тіла займають цей простір.

Звичайно, наявність тіл змінює "форму" (тобто характеристики) ЕМ-поля, породженого струмом: насправді компоненти є "тілами", призначеними для зміни цього поля в контрольованому порядку.

Плутанина у ваших міркуваннях може виникнути з-за того, що скомпоновані компоненти розроблені для того, щоб добре працювати лише за умови, що поля змінюються повільно . Це технічно називається припущенням квазістатичних полів : поля передбачається, що вони змінюються так повільно, щоб бути дуже подібними до тих, що присутні в справжній ситуації постійного струму.

Це припущення призводить до кардинальних спрощень: дозволяє нам використовувати закони Кірхгофа для аналізу схеми без помітних помилок. Це не означає, що навколо та всередині компонентів та доріжок друкованої плати немає хвиль ЕМ. Справді є! Хороша новина полягає в тому, що їх поведінку можна корисно звести до струмів і напруг з метою проектування та аналізу ланцюга.

— Лоренцо Донаті підтримує Моніку
джерело

1

Ви дійсно задаєте два питання: 1) "Чому основні закони схеми розбиті" на високих частотах змінного струму. 2) Чому вони також повинні розбиватися при використанні "фактичних фізичних проводів ..."

Перше запитання було висвітлено в попередніх відповідях, але друге питання спонукає мене до думки, що ваш розум не перейшов з "переміщення електронів" в переміщення хвиль ЕМ, до яких я звернуся.

Незалежно від того, як генеруються хвилі ЕМ , вони однакові (крім амплітуди та частоти). Вони поширюються зі швидкістю світла і «прямою» лінією .
У конкретному випадку, коли вони породжуються зарядами, що течуть в дроті , хвиля буде слідувати напрямку дроту !
У всі часи , коли ви маєте справу з рухомими зарядами, ви маєте справу з хвилями ЕМ . Однак, коли відношення довжини хвилі до розміру ланцюга є досить високим, ефекти 2-го та вищого порядку досить малі, що з практичних цілей їх можна ігнорувати.

Я сподіваюся, що зараз зрозуміло, що дроти служать лише для спрямування хвиль ЕМ, а не для зміни їх природи.

— Чайка
джерело

Фантастичний! Це було саме моє занепокоєння.

— AlfroJang80

Одне останнє. Таким чином, при низькочастотному змінного струму електрони рухаються вперед і назад, і це породжує emag хвилі, які рухаються. Однак через низьку частоту кількість енергії, що міститься в цих хвилях, незначна, і тому не має значення, враховуємо ми їх чи ні. На високій частоті змінного струму ці емаг-хвилі тепер містять набагато більше енергії, і ми повинні їх враховувати, а також пам’ятати, що форми хвилі напруги та струму також будуть затримуватися в різних точках ланцюга. Це правильно?

— AlfroJang80

-1

Вам потрібно змінити те, як ви думаєте про електроенергію. Подумайте про цю концепцію як про коливання електронів у порожньому просторі. У постійному струмі коливання штовхають і витісняють електрони в одному загальному векторі спрямованості. На високих частотах зміщення відбуваються в багатьох напрямках з більш високою швидкістю і більше випадковим чином, і кожного разу, коли ви витісняєте електрони, щось відбувається, а використання рівнянь, перелічених тут і в підручниках, допомагає моделювати, що буде. Коли ви розробляєте інженер, ви намагаєтеся створити модель і визначити закономірності того, що відбувається, і використовуйте їх для вирішення проблем.

— Подвійний процесор E
джерело