Czy jestem szalony, by pytać, że tylko przy zamkniętej ścieżce elektrony mogą się poruszać?

Po pierwsze, pozwól mi tylko stwierdzić, że nie czuję się na tyle pewny siebie, aby powiedzieć komukolwiek cokolwiek o tym, jak działają obwody elektryczne lub cokolwiek na temat fizyki, ponieważ po prostu nie wiem ani nie rozumiem wszystkiego.

Ale wiele razy czytałem, że musi istnieć zamknięta ścieżka przepływu prądu w obwodzie, co prowadzi do tego, że jeśli nie ma zamkniętej pętli przewodzącej, nic się nie stanie.

Uznałem to za ostateczną prawdę, ale zastanawiam się nad czymś (równie dobrze mogę być tutaj bardzo daleko od ścieżki rozumu).

Jeśli miałbym zaprojektować płytkę drukowaną, która zawiera ślady, przez które przepłyną sygnały o bardzo wysokiej częstotliwości (prądy), to muszę wziąć pod uwagę takie rzeczy, jak odbicia sygnałów, nie wiem z czego składają się odbicia w kategoriach czysto fizycznych (ale muszę wyobraź sobie, że odbity sygnał to pewna ilość prądu (ów), który pierwotnie został przesłany przez ślad, ale najwyraźniej jeśli wyślę sygnał wysokiej częstotliwości w dół śladu (lub drutu), to w pewnych warunkach sygnał może przepłynąć w dół śledź (drut) tylko po to, aby coś odbić, a następnie wróć z powrotem do miejsca, z którego ono po raz pierwszy przyszło. Gdzie może odbijać się od czegoś jeszcze raz, a więc może odbijać się w przód iw tył, przemieszczając się wzdłuż śladu, raz po raz, zmniejszając się, aż zniknie.

To są tylko rzeczy z czubka mojej głowy, rzeczy, których nigdy wcześniej nie zrozumiałem. Ale jeśli ograniczymy scenariusz do tej sytuacji o bardzo wysokiej częstotliwości, jeśli sygnał lub prąd mogą być odbite z powrotem w kierunku, w którym przyszły, to dlaczego miałoby to mieć znaczenie, czy jest zamknięta pętla, czy nie.

Czy przerwana pętla nie mogłaby przedstawić ścieżek, w których mogłyby się odbijać takie prądy?

Wiem, że mam stosunkowo niski poziom wglądu w te złożone sprawy, ale nie wiem, dlaczego to nie byłoby możliwe. Byłbym bardzo szczęśliwy, gdyby ktokolwiek mógł mnie oświecić.

Mam jedną pojedynczą hipotezę, która nie ma żadnego uzasadnienia, ale może scenariusz o bardzo wysokiej częstotliwości zmienia sposób, w jaki wykorzystuje się miedź śladową, tak że pod pewnym względem jest ona zamkniętą pętlą?

Masz całkowitą rację.

Zasada „zamkniętej pętli” pochodzi z uproszczenia, którego często używamy w analizie obwodów, zwanego „modelem elementu bryłowego”. Ten model zapewnia dobre przybliżenie rzeczywistego zachowania obwodu przy DC i niskich częstotliwościach, gdzie można zignorować wpływ indukcyjności pasożytniczej, pojemności i prędkości światła.

Jednak te czynniki stają się znaczące przy wysokich częstotliwościach i nie można ich dłużej ignorować. Każdy obwód o niezerowej wielkości ma indukcyjność i pojemność i jest w stanie promieniować (lub odbierać) falę elektromagnetyczną. Właśnie dlatego radio w ogóle działa.

Kiedy zaczniesz rozważać pasożytnicze pojemności, odkryjesz, że wszystko jest związane z prawie wszystkim innym (więcej do pobliskich obiektów) i że są zamknięte pętle, w których normalnie nie spodziewałbyś się ich znaleźć.

W odpowiedzi na Twój tytuł:

Czy jestem szalony, by pytać, że tylko przy zamkniętej ścieżce elektrony mogą się poruszać?

Prądy zwykle * przemieszczają się w pętlach. Jednak pętle nie muszą być całkowicie wykonane z przewodników (tj. Miedzi). Prąd jest przepływem ładunku. Dlatego wszystkie następujące zjawiska fizyczne reprezentują prąd:

• Elektrony przepływające miedzianym drutem
• Jony (które są naładowane) przemieszczają się między elektrodami akumulatora (lub kondensatora elektrolitycznego)
• Elektrony przelatujące przez próżnię (tj. Zawory termionowe, lampa elektronopromieniowa)
• I wreszcie, prąd przesunięcia

Ostatni odpowiada na pytanie „jak prąd może przepływać przez dielektryk kondensatora?”. Krótkie podsumowanie jest takie, że ładunki gromadzące się na jednej płytce kondensatora odepchną ładunki na drugiej płytce i dadzą złudzenie, że elektrony przepływają przez dielektryk nasadki, podczas gdy w rzeczywistości tak nie jest. Jedna płytka zapełnia się elektronami, podczas gdy druga wyczerpuje się z elektronów.

... * Tak oczywiście! Prądy mogą nie przemieszczać się w pętlach: wystarczy wystrzelić wiązkę elektronów w przestrzeń kosmiczną z wystarczającą prędkością, aby uciec Układowi Słonecznemu. Oczywiście nie dotyczy to codziennego projektowania elektroniki.

Ma też pewną wadę: masz tylko pewną liczbę elektronów do wystrzelenia ... i im więcej elektronów wystrzeliwuje Twój „pistolet”, tym bardziej staje się on naładowany dodatnio, co powoduje, że wysyłanie elektronów jest coraz trudniejsze.

Podczas gdy twój zwykły obwód, który jest pętlą, przetwarza te same elektrony (jeśli DC) lub po prostu kręci je wokół (AC) i będzie działał tak długo, jak długo bateria / elektrownia jądrowa / ogniwo słoneczne będzie mieć dostępną energię.

Zasada nr 1. Nie ma czegoś takiego jak obwód otwarty, z wyjątkiem warunków ustalonego prądu stałego .

Pomiędzy każdym drutem, każdą częścią, a nawet każdym atomem istnieje pojemność, rezystancja i indukcyjność względem innego drutu, części i atomu. Jakkolwiek może być mikroskopijne, jest tam. Nawet w obrębie drutu lub samej części.

Jeśli jednak obwód, który testujesz, znajduje się w stałym stanie stałym, pojemność i indukcyjność nie powodują obciążenia, tylko rezystancja ma taką wartość, a to jest wystarczająco wysoka, aby nie mieć znaczenia. Aby prąd płynął w tym „obwodzie”, musi mieć ścieżkę od punktu początkowego do punktu końcowego.

Reguła nr 2. Nie ma czegoś takiego jak warunki DC Steady State.

Pływamy w morzu fal elektromagnetycznych. Jako taki, obwód prądu stałego w stanie ustalonym jest w rzeczywistości niemożliwy do osiągnięcia. Co więcej, każdy prąd w twoim obwodzie wytwarza własne pole elektromagnetyczne, które oddziałuje ze sobą ORAZ z polami zewnętrznymi. W twoim obwodzie zawsze będzie coś, co nazywamy „hałasem”.

Zasada 3: Im szybciej modulujesz napięcie / prąd, tym więcej potencjalnych ścieżek obwodu musisz się martwić

Te małe niewidzialne obwody, o których wspomniałem w regule nr 1, mają impedancje, które zmieniają się wraz ze wzrostem częstotliwości, które próbujesz przekazać. W związku z tym, im wyższy poziom, tym bardziej mamy do czynienia z dziwnymi efektami, takimi jak utrata sygnału, odbicia i emisja szumów, żeby wymienić tylko kilka.

Na szczęście:

W większości przypadków możemy odrzucić większość tych efektów, ponieważ przy częstotliwościach, z których korzystasz, powodują one niewielkie zakłócenia.

Obwód prądu przemiennego 60 Hz działa w zasadzie tak samo, jak schemat obwodu wskazuje, czy połączenia nie są długie. Możemy śmiało stwierdzić śmiałe stwierdzenie, że obwód musi być kompletny, aby prąd mógł płynąć, ponieważ prąd, który faktycznie płynie, w zasadzie nie jest wystarczająco mierzalny, aby mieć znaczenie.

Jeśli jednak próbujesz przekazać sygnał 100 GHz wokół tego samego obwodu, liczby nie będą miały już sensu.

Jeśli chodzi o zerwane pętle ... Zobacz Zasada nr 1

Czy jesteś szalony, żeby to kwestionować?

Nie, właściwie to całkiem odwrotnie. Zawsze dobrze jest głęboko myśleć i zadawać podobne pytania. Jednak odpowiedzi mogą cię tam zaprowadzić.

Pomysłem, który może ci pomóc, jest koncepcja linii przesyłowej. Wyidealizowana linia przesyłowa to linia o charakterystycznej impedancji i stałym opóźnieniu. Pomyśl o linii przesyłowej jak o śladzie na płytce drukowanej. Opóźnienie powstaje, ponieważ po przyłożeniu napięcia z jednej strony linii występuje opóźnienie, zanim będzie można je wykryć na końcu linii. Mam nadzieję, że to ma sens. Tym, co tak naprawdę robi ślad, jest umożliwienie propagacji pola elektrycznego wzdłuż linii do obciążenia. Pole może poruszać się tylko z prędkością światła, a nie szybciej. Jest więc czas, kiedy pole zostało przyłożone, ale obciążenie jeszcze go nie wyczuwało. Hmmm.

Więc jaka jest charakterystyczna impedancja? Nazwijmy to Z. Gdy napięcie (V) jest po raz pierwszy przykładane do wejścia linii przesyłowej, przepływający prąd jest ściśle funkcją Z. Nie ma znaczenia, co jest na drugim końcu linii. Być może jest to obwód otwarty lub zwarcie albo induktor lub kondensator. Załóżmy, że jest to obwód otwarty. Mimo to prąd przepływający do linii przesyłowej będzie wynosić V / Z, dopóki pole elektryczne nie rozchodzi się aż do odbicia końca linii i wraca do źródła. W pewnym sensie pole elektryczne przesłuchuje linię i ładunek, a kiedy dotrze do końca, wraca odbicie, które przynosi informacje o obciążeniu z powrotem do źródła. Odbicie wracające z końca linii może odbijać się ponownie, gdy dotrze do źródła,

W każdym razie masz rację, sądząc, że prąd może przepływać do „obwodu otwartego”. Oczywiście, gdy tak się dzieje lub gdy jest to znaczące, oznacza to, że musisz ulepszyć swój model obwodu, aby uwzględnić te linie przesyłowe lub pojemności pasożytnicze lub cokolwiek innego. Teoria linii przesyłowej zapewnia na to sposób.

Szczególnym przypadkiem linii przesyłowej jest sytuacja, gdy obciążenie na końcu jest dokładnie równe impedancji charakterystycznej linii. Może tak być w przypadku, gdy ślad płytki drukowanej ma na końcu podłączony rezystor, a drugi koniec rezystora przechodzi w GND. Kiedy tak się dzieje, jeśli wartość rezystora jest taka sama jak Z, w rzeczywistości nie ma odbicia. Tak więc prąd płynący do linii to po prostu I = V / Z. Ponieważ nie wraca żadne odbicie, prąd nadal jest V / Z. Rozważmy teraz refleksje.

Kiedy koniec linii nie zostanie zakończony w Z, pojawi się pewne odbicie. Odbicie to zachowuje się dokładnie tak samo, jak pierwotne pole elektryczne przemieszczające się wzdłuż linii, z tym wyjątkiem, że wraca w kierunku źródła. Jeśli źródło zostanie zakończone rezystorem o wartości Z, wówczas odbicie zostanie całkowicie pochłonięte u źródła. Innymi słowy, jeśli impedancja źródła wynosi Z, odbicie od obciążenia zostanie w pełni zaabsorbowane, podobnie jak w przypadku obciążenia o wartości Z nie będzie odbicia z powrotem w kierunku źródła.

Ale jeśli ani obciążenie, ani źródło nie zostaną zakończone w Z, wówczas odbicie teoretycznie będzie trwało wiecznie, odbijając się w tę iz powrotem. Oczywiście w prawdziwym świecie odbicie zaniknie z powodu jakiejś utraty energii. Jeśli nic więcej, niezerowy opór drutu miedzianego spowoduje straty.

Mam nadzieję, że możesz coś z tego wyciągnąć. Na początku efekty linii transmisyjnej mogą być trudne do przyswojenia, zwłaszcza jeśli nie masz innych informacji w tle. Próbowałem więc wyjaśnić to w nieco intuicyjny sposób, który mam nadzieję, że ci pomoże.

Antena to „obwód otwarty”, jeśli się jej dokładnie przyjrzy. Mówiąc o prądzie przemiennym, szczególnie AC prądu o częstotliwości radiowej, przewodniki nie są wyidealizowanymi komponentami, lecz oddziałują z otoczeniem. Jeśli mówimy o odbiciach, mówimy o właściwościach przewodu, które nie są współmierne do właściwości prostych połączeń na schemacie obwodu.

Istnieją rzeczywiste obwody zbudowane za pomocą po prostu wytrawiania rodzaju układu przewodów na płytce drukowanej. Wiele obwodów mikrofalowych i filtrów nie zawiera więcej niż układ przewodów, który w połączeniu z wolną przestrzenią pomiędzy nimi faktycznie odpowiada złożonemu układowi indukcyjności i pojemności.

Przy oglądaniu na znacznie niższych częstotliwościach, w tym na prąd stały, cały obwód mikrofalowy może być tylko jednym lub dwoma przewodnikami, podobnie jak antena oglądana na znacznie niższych częstotliwościach niż jego częstotliwości robocze to tylko połączenie otwarte.

Gdzie mają znaczenie te ukryte / pasożytnicze ścieżki?

Rozważ połączenie z Tobą w betonie pod podłogą: odstęp 1 cm, powierzchnia 0,1 metra na 0,3 metra, stała dielektryczna --- użyj powietrza (1,000002 lub blisko).

Jaka jest twoja pojemność na podłodze? lub [9e-12Farad / metr * 1] * [0,1 * 0,3] / 0,01 = 9e-12 * 0,03 / 0,01 Pojemności = 9e-12 * 3 = 36 picoFarad.

Więc? Teraz dotknij transformatora neonu, 50 000 woltów przy 60 Hz (377 radianów na sekundę). DV / dT = 50 000 (zakładany szczyt) * d (sin (60 Hz) / dT) = 50 000 * 377 ~~~ 20 milionów woltów na sekundę.

Jaki jest prąd przez ciebie? I = C * dV / dt = 36 e-12 * 20e + 6 = 700 mikroAmps.

Chcesz tego uniknąć. Nawet jeśli nie ma oczywiście obwodu zamkniętego.

Ściśle mówiąc, elektrony dryfują w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu prądu. Aby prąd płynął (i energia się poruszała), potrzebujesz różnicy potencjałów (napięcia) między punktami początkowym i końcowym. Zauważ, że elektrony poruszają się również w atomach, w powłokach orbitalnych, ale tak naprawdę nikt nie wie, jak to zrobić; może chodzą w kółko.

To po prostu nieprawda, chociaż jak wiele zasad, jest to dobre i użyteczne przybliżenie, gdy stosuje się je w odpowiednich okolicznościach (obwody prądu stałego, obwody prądu przemiennego niskiej częstotliwości, gdzie przede wszystkim interesuje nas przesył energii elektrycznej).

Elektrony zawsze się poruszają, z wyjątkiem absolutnego zera (do którego nie można dotrzeć). Podkręć wzmocnienie dowolnego wzmacniacza wystarczająco wysoko, a nawet przy jego wejściu starannie ekranowanym przed jakimkolwiek wpływem zewnętrznym, usłyszysz syk (dźwięk) lub inny losowy sygnał. To elektrony przepychają się w obwodzie wejściowym pod wpływem jego temperatury otoczenia.

Przechowywanie ładunków na kondensatorach jest absolutnie fundamentalne dla nowoczesnej elektroniki półprzewodnikowej. Stany logiczne to uwięzione pakiety elektronów. W urządzeniu z pamięcią flash wysokie napięcie przenosi elektrony przez normalnie izolującą barierę na płytkę kondensatora i bramkę tranzystora polowego. Po usunięciu wysokiego napięcia elektrony pozostają na miejscu przez lata (lub dłużej), a ich obecność lub brak można określić na podstawie tego, czy tranzystor przewodzi. Rzeczywiście, często mierzy się ilość elektronów (która określa napięcie na bramce, a tym samym poziom wyjściowy tranzystora) i kwantyzuje ją do jednego z ośmiu poziomów, przechowując w ten sposób trzy bity jako jedną z ośmiu ilości elektronów w jednym tranzystorze.

Obwód ostatecznie zamyka się, gdy elektrony te wyciekają w wyniku szumu termicznego i kwantowego „tunelowania”. Jak wspomniano powyżej, zajmie to wiele lat, chyba że ogniwo zostanie przepisane przez ponowne przyłożenie wysokiego napięcia.