Lassen Sie mich zunächst nur festhalten, dass ich mich nicht sicher genug fühle, irgendjemandem etwas über die Funktionsweise elektrischer Schaltkreise oder die dahinter stehende Physik zu erzählen, weil ich einfach nicht alles weiß oder verstehe.
Aber ich habe oft gelesen, dass es einen geschlossenen Pfad geben muss, damit Strom in einem Stromkreis fließt, was zu der Tatsache führt, dass nichts passieren kann, wenn es keine geschlossene Leiterschleife gibt.
Und ich habe das für eine endgültige Wahrheit gehalten, aber ich frage mich über etwas (und ich könnte genauso gut schrecklich weit vom Pfad der Vernunft entfernt sein).
Wenn ich eine Leiterplatte entwerfen wollte, die Spuren enthält, durch die sehr hochfrequente Signale (Ströme) fließen, muss ich Dinge wie Signalreflexionen berücksichtigen. Ich weiß nicht, woraus Reflexionen rein physikalisch bestehen (muss es aber) Stellen Sie sich vor, ein reflektiertes Signal ist eine bestimmte Menge des Stroms (der Ströme), der ursprünglich durch die Messkurve gesendet wurde. Wenn ich jedoch ein Hochfrequenzsignal über eine Messkurve (oder einen Draht) sende, kann das Signal unter bestimmten Bedingungen die Messkurve hinunter wandern verfolgen Sie (Draht) nur, um von etwas abzuprallen und dann den ganzen Weg zurück zu reisen, wo es zuerst herkam. Wo es wieder von etwas abprallen könnte und so hin und her springen kann, indem es die Länge der Spur immer wieder verkleinert, bis es ausstirbt.
Das ist nur ein Teil von oben, den ich nie richtig verstanden habe. Wenn wir das Szenario jedoch auf diese sehr hochfrequente Situation beschränken, wenn ein Signal oder ein Strom dahin zurückreflektiert werden kann, woher es kommt, warum sollte es überhaupt relevant sein, ob es einen geschlossenen Regelkreis gibt oder nicht?
Könnte eine unterbrochene Schleife keine Pfade für solche Ströme darstellen, in denen sie herumspringen könnten?
Ich weiß, dass ich nur einen relativ geringen Einblick in diese komplexen Sachverhalte habe, aber ich weiß jetzt nicht, warum das nicht möglich wäre. Ich würde mich sehr freuen, wenn mich jemand aufklären könnte.
Ich habe eine einzige Hypothese ohne irgendetwas, was sie jemals stützen könnte, aber vielleicht ändert das sehr hochfrequente Szenario die Art und Weise, in der ein Kupfer verwendet wird, so dass es in gewisser Hinsicht eine geschlossene Schleife in sich selbst darstellt?
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Antworten:
Du hast vollkommen recht.
Die Regel des geschlossenen Regelkreises beruht auf einer Vereinfachung, die wir in der Schaltkreisanalyse häufig als "konzentriertes Komponentenmodell" bezeichnen. Dieses Modell liefert eine gute Annäherung an das tatsächliche Schaltungsverhalten bei Gleichstrom und niedrigen Frequenzen, wobei die Auswirkungen von parasitärer Induktivität, Kapazität und Lichtgeschwindigkeit ignoriert werden können.
Diese Faktoren werden jedoch bei hohen Frequenzen signifikant und können nicht länger ignoriert werden. Jeder Schaltkreis mit einer Größe ungleich Null hat Induktivität und Kapazität und kann elektromagnetische Wellen ausstrahlen (oder empfangen). Deshalb funktioniert Radio überhaupt.
Sobald Sie anfangen, parasitäre Kapazitäten in Betracht zu ziehen, werden Sie feststellen, dass alles mit so ziemlich allem anderen zusammenhängt (mehr mit Objekten in der Nähe), und es gibt geschlossene Schleifen, von denen Sie normalerweise nicht erwarten würden, dass sie gefunden werden.
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Auf Ihren Titel antworten:
Strömungen bewegen sich normalerweise * in Schleifen. Die Schleifen müssen jedoch nicht vollständig aus Leitern (dh Kupfer) bestehen. Strom ist ein Ladungsfluss. Daher repräsentieren alle folgenden physikalischen Phänomene den Strom:
Der Letzte beantwortet die Frage "Wie kann ein Strom durch das Dielektrikum eines Kondensators fließen?". Eine kurze Zusammenfassung ist, dass Ladungen, die sich auf einer Platte Ihres Kondensators ansammeln, die Ladungen auf der anderen Platte wegdrücken und die Illusion vermitteln, dass Elektronen durch das Dielektrikum der Kappe fließen, obwohl dies nicht der Fall ist. Eine Platte füllt sich mit Elektronen, während die andere von Elektronen befreit wird.
... * Ja natürlich! Sie können Ströme haben, die nicht in Schleifen wandern: Schießen Sie einfach einen Elektronenstrahl in den Weltraum, mit genügend Geschwindigkeit, um dem Sonnensystem zu entkommen. Offensichtlich trifft dies nicht auf das alltägliche Elektronikdesign zu.
Es hat auch einen Nachteil: Sie müssen nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen abschießen ... und je mehr Elektronen Ihre "Waffe" abschießt, desto positiver wird die Aufladung, wodurch das Abschießen von Elektronen zunehmend schwieriger wird.
Während Ihr gewöhnlicher Stromkreis, der eine Schleife ist, die gleichen Elektronen recycelt (wenn DC) oder sie nur herumwirbelt (AC) und so lange läuft, wie die Batterie / das Kernkraftwerk / die Solarzelle Energie zur Verfügung hat.
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Regel 1. Es gibt keinen offenen Stromkreis, außer unter stationären Gleichstrombedingungen .
Zwischen jedem Draht, jedem Teil und sogar jedem Atom gibt es Kapazität, Widerstand und Induktivität für einen anderen Draht, Teil und Atom. Wie mikroskopisch es auch sein mag, es ist da. Sogar innerhalb des Drahtes oder des Teils selbst.
Befindet sich die zu prüfende Schaltung jedoch in einem stationären Gleichstromzustand, sind Kapazität und Induktivität nicht belastet, sondern nur der Widerstand, und das ist hoch genug, um keine Rolle zu spielen. Damit Strom in diesem "Stromkreis" fließt, muss er einen Pfad vom Startpunkt zum Endpunkt haben.
Regel # 2. Es gibt keine DC-Steady-State-Bedingungen.
Wir schwimmen in einem Meer elektromagnetischer Wellen. Somit ist ein stationärer Gleichstromkreis tatsächlich unmöglich zu erreichen. Außerdem erzeugt jeder Strom in Ihrem Stromkreis ein eigenes elektromagnetisches Feld, das miteinander UND mit diesen äußeren Feldern interagiert. Es wird immer das geben, was wir "Rauschen" nennen.
Regel 3: Je schneller Sie eine Spannung / einen Strom modulieren, desto mehr potenzielle Schaltungspfade müssen Sie berücksichtigen
Diese kleinen unsichtbaren Schaltkreise, die ich in Regel 1 erwähnt habe, weisen Impedanzen auf, die sich ändern, wenn die Frequenzen, die Sie passieren möchten, zunehmen. Je höher wir gehen, desto mehr müssen wir uns mit seltsamen Effekten wie Signalverlust, Reflexionen und Rauschemissionen auseinandersetzen, um nur einige zu nennen.
Glücklicherweise:
Zum größten Teil können wir die meisten dieser Effekte ausblenden, da sie bei den von Ihnen verwendeten Frequenzen nur geringe Störungen verursachen.
Ein 60-Hz-Wechselstromkreis funktioniert im Wesentlichen genauso wie im Schaltplan angegeben, wenn die Verbindungen nicht lang sind. Wir können mit Sicherheit die kühne Aussage treffen, dass der Stromkreis vollständig sein muss, damit der Strom fließt, da der tatsächlich fließende Strom im Grunde nicht messbar genug ist, um eine Rolle zu spielen.
Wenn Sie jedoch versuchen, ein 100-GHz-Signal auf der gleichen Strecke durchzuleiten, ergeben die Zahlen keinen Sinn mehr.
Was unterbrochene Schleifen betrifft ... Siehe Regel # 1
Bist du verrückt, das in Frage zu stellen?
Nein, eigentlich ganz im Gegenteil. Es ist immer gut, tief nachzudenken und solche Fragen zu stellen. Die Antworten können Sie jedoch dahin treiben.
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Ein Konzept, das Ihnen helfen könnte, ist das Übertragungsleitungskonzept. Die idealisierte Übertragungsleitung hat eine charakteristische Impedanz und eine feste Verzögerung. Stellen Sie sich die Übertragungsleitung als eine Spur auf einer Leiterplatte vor. Die Verzögerung wird dadurch verursacht, dass beim Anlegen einer Spannung an einer Seite der Leitung eine Verzögerung auftritt, bevor sie am Ende der Leitung erkannt werden kann. Hoffentlich macht das Sinn. Was die Spur wirklich bewirkt, ist, dass sich ein elektrisches Feld entlang der Leitung zur Last ausbreitet. Das Feld kann sich nur mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, nicht schneller. Es gibt also einen Zeitraum, in dem das Feld angelegt wurde, aber die Last hat es noch nicht gespürt. Hmmm.
Also, was ist die charakteristische Impedanz? Wir bezeichnen es als Z. Wenn eine Spannung (V) zum ersten Mal an den Eingang einer Übertragungsleitung angelegt wird, ist der Strom, der fließt, streng eine Funktion von Z. Es spielt keine Rolle, was sich am anderen Ende der Leitung befindet. Vielleicht ist es eine Unterbrechung oder ein Kurzschluss oder eine Induktivität oder ein Kondensator. Nehmen wir einfach an, es ist ein offener Stromkreis. Trotzdem ist der Strom, der in die Übertragungsleitung fließt, V / Z BIS das elektrische Feld sich bis zum Ende der Leitung ausbreitet, reflektiert und zur Quelle zurückkehrt. In gewisser Weise fragt das elektrische Feld die Leitung und die Last ab, und wenn es zum Ende kommt, kommt eine Reflexion zurück, die Informationen über die Last zurück zur Quelle bringt. Die Reflexion, die vom Ende der Linie zurückkommt, wird möglicherweise wieder reflektiert, wenn sie zur Quelle gelangt.
Sie haben also Recht zu glauben, dass Strom in einen "offenen Stromkreis" fließen kann. Wenn dies passiert oder wenn es wichtig ist, bedeutet dies natürlich, dass Sie Ihr Schaltungsmodell verbessern müssen, um diese Übertragungsleitungen oder parasitären Kapazitäten oder was auch immer zu berücksichtigen. Die Übertragungsleitungstheorie bietet einen Weg, dies zu tun.
Ein Sonderfall einer Übertragungsleitung ist, wenn die Last am Ende genau der charakteristischen Impedanz der Leitung entspricht. Dies kann der Fall sein, wenn an einer Leiterplatte am Ende ein Widerstand angeschlossen ist und das andere Ende des Widerstands auf GND geht. Wenn dies geschieht und der Widerstandswert gleich Z ist, findet tatsächlich keine Reflexion statt. Der Strom, der in die Leitung fließt, ist also einfach I = V / Z. Da keine Reflexion zurückkommt, ist der Strom weiterhin V / Z. Betrachten wir nun die Überlegungen.
Wenn das Ende der Zeile nicht mit Z abgeschlossen ist, erfolgt eine Reflexion. Diese Reflexion verhält sich genauso wie das ursprüngliche elektrische Feld, das die Linie entlang wandert, mit der Ausnahme, dass es zur Quelle zurückkehrt. Wird die Quelle mit einem Widerstand vom Wert Z abgeschlossen, wird die Reflexion an der Quelle vollständig absorbiert. Mit anderen Worten, wenn die Quellenimpedanz Z ist, wird die Reflexion von der Last vollständig absorbiert, genauso wie wenn die Last Z ist, wird es keine Reflexion zurück zur Quelle geben.
Wenn jedoch weder das Laden noch die Quelle in Z abgeschlossen sind, wird die Reflexion theoretisch für immer fortgesetzt und prallt vor und zurück. Natürlich wird in der realen Welt die Reflexion aufgrund einer Art Energieverlust aussterben. Der Widerstand des Kupferdrahtes ungleich Null führt nicht zuletzt zu Verlusten.
Ich hoffe, Sie können etwas daraus machen. Übertragungsleitungseffekte können anfangs schwer zu verarbeiten sein, insbesondere wenn Sie keine anderen Hintergrundinformationen haben. Deshalb habe ich versucht, es auf eine etwas intuitive Art und Weise zu erklären, von der ich hoffe, dass sie Ihnen helfen wird.
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Eine Antenne ist ein "offener Stromkreis", wenn Sie sie genau betrachten. Wenn es um Wechselstrom geht, insbesondere um Hochfrequenz-Wechselstrom, sind Leiter keine idealisierten Komponenten, sondern interagieren mit ihrer Umgebung. Wenn Sie von Reflexionen sprechen, sprechen Sie von Eigenschaften des Leiters, die nicht mit den Eigenschaften einfacher Verbindungen in einem Schaltplan übereinstimmen.
Es gibt aktuelle Schaltkreise, die nur aus Leiteranordnungen auf einer Leiterplatte bestehen. Viele Mikrowellenschaltungen und Filter enthalten nicht mehr als eine Anordnung von Leitern, die in Verbindung mit dem freien Raum dazwischen tatsächlich einer komplexen Zusammensetzung von Induktivitäten und Kapazitäten entspricht.
Bei einer Betrachtung bei viel niedrigeren Frequenzen, einschließlich Gleichstrom, kann der gesamte Mikrowellenkreis nur ein oder zwei Leiter sein, genau wie eine Antenne, die bei viel niedrigeren Frequenzen als ihren Betriebsfrequenzen betrachtet wird, nur eine offene Verbindung ist.
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Woher kommen diese versteckten / parasitären Pfade?
Betrachten Sie die Kopplung von IHNEN mit dem Beton unter dem Boden: 1 cm Abstand, Fläche von 0,1 m × 0,3 m, Dielektrizitätskonstante - verwenden Sie die von Luft (1,000002 oder nah).
Was ist die Kapazität von Ihnen zum Boden? oder [9e-12Farad / Meter * 1] * [0,1 * 0,3] / 0,01 = 9e-12 * 0,03 / 0,01 Kapazität = 9e-12 * 3 = 36 picoFarad.
Damit? Berühren Sie jetzt einen Neon-Sign-Transformator mit 50.000 Volt bei 60 Hz (377 Radian / Sekunde). Der dV / dT = 50.000 (angenommene Spitze) * d (sin (60 Hz) / dT) = 50.000 * 377 ~ ~ ~ 20 Millionen Volt pro Sekunde.
Was ist die Strömung durch dich? I = C · dV / dt = 36 · 12 · 20e + 6 = 700 Mikroampere.
Das wollen Sie vermeiden. Auch wenn es keinen offensichtlich geschlossenen Kreislauf gibt.
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Genau genommen driften Elektronen in die entgegengesetzte Richtung wie der Stromfluss. Damit der Strom fließt (und sich die Energie bewegen kann), benötigen Sie eine Potentialdifferenz (Spannung) zwischen Start- und Endpunkt. Beachten Sie, dass sich Elektronen auch innerhalb von Atomen in Orbitalschalen bewegen, aber niemand weiß wirklich, wie; Vielleicht drehen sie sich im Kreis.
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Es ist einfach nicht wahr, obwohl es wie viele Regeln eine gute und nützliche Annäherung ist, wenn es auf die entsprechenden Umstände angewendet wird (Gleichstromkreise, niederfrequente Wechselstromnetzkreise, bei denen wir hauptsächlich an der Übertragung elektrischer Energie interessiert sind).
Elektronen bewegen sich immer , mit Ausnahme des absoluten Nullpunkts (den Sie nicht erreichen können). Erhöhen Sie die Verstärkung eines Verstärkers hoch genug, und selbst wenn der Eingang sorgfältig von äußeren Einflüssen abgeschirmt wird, wird ein Rauschen (Audio) oder ein anderes zufälliges Signal sichtbar. Dies sind die Elektronen, die sich unter dem Einfluss ihrer Umgebungstemperatur in der Eingangsschaltung bewegen.
Die Speicherung von Ladungen auf Kondensatoren ist für die moderne Festkörperelektronik von grundlegender Bedeutung . Logikzustände sind gefangene Elektronenpakete. In einer Flash-Speichervorrichtung treibt eine hohe Spannung Elektronen durch eine normalerweise isolierende Barriere auf die Platte eines Kondensators und das Gate eines Feldeffekttransistors. Wenn die Hochspannung abgeschaltet wird, bleiben die Elektronen jahrelang (oder länger) in Kontakt, und ihre Anwesenheit oder Abwesenheit kann durch die Leitfähigkeit des Transistors bestimmt werden. In der Tat ist es üblich, eine Elektronenmenge (die die Spannung am Gate und damit den Ausgangspegel des Transistors bestimmt) zu messen und auf einen von acht Pegeln zu quantisieren, wodurch drei Bits als eine von acht Elektronenmengen in einem einzelnen Transistor gespeichert werden.
Der Stromkreis wird schließlich geschlossen, wenn diese Elektronen infolge von thermischem Rauschen und Quanten- "Tunneln" austreten. Wie oben erwähnt, dauert dies viele Jahre, es sei denn, die Zelle wird durch erneutes Anlegen der Hochspannung neu geschrieben.
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