Разве я безумен, чтобы задаться вопросом, что электроны могут двигаться только по замкнутому пути?

Прежде всего, позвольте мне просто заявить, что я не чувствую себя достаточно уверенно, чтобы рассказать кому-либо что-либо о том, как работают электрические цепи, или что-нибудь о физике, стоящей за ними, потому что я просто не знаю или не понимаю всего этого.

Но я много раз читал, что должен существовать замкнутый путь для протекания тока в цепи, что приводит к тому, что, если нет замкнутой проводящей петли, ничего не может произойти.

И я воспринял это как окончательную истину, но мне интересно кое о чем (и я мог бы с таким же успехом быть ужасно далеким от пути разума здесь).

Если бы я должен был спроектировать печатную плату, которая содержала бы следы, через которые будут проходить очень высокочастотные сигналы (токи), тогда я должен был бы рассмотреть такие вещи, как отражения сигналов, я не знаю, из чего состоят отражения, в чисто физических терминах (но я должен представьте, что отраженный сигнал представляет собой определенную величину тока (-ов), который был первоначально отправлен через трассу), но, очевидно, если я отправлю высокочастотный сигнал по трассе (или проводу), то при определенных условиях сигнал может распространяться по трассировка (провод) только для того, чтобы отскочить от чего-то, а затем пройти весь путь туда, откуда он впервые появился. Там, где он может отскочить от чего-то снова, и поэтому он может отскочить назад и вперед, путешествуя по длине следа снова и снова, становясь все меньше и меньше, пока не исчезнет.

Это всего лишь вещи из головы, вещи, которые я никогда прежде не понимал. Но если мы ограничим сценарий этой ситуацией с очень высокой частотой, если сигнал или ток могут быть отражены обратно туда, откуда они пришли, то зачем это вообще должно быть актуально, независимо от того, существует замкнутый контур или нет.

Не может ли разорванная петля представить пути, по которым такие токи могут прыгать?

Я знаю, что у меня относительно низкий уровень понимания этих сложных вопросов, но я не знаю, почему это было бы невозможно. Я был бы очень счастлив, если бы кто-нибудь мог просветить меня.

У меня есть одна единственная гипотеза, которая вообще ничего не поддерживает, но, возможно, сценарий очень высокой частоты меняет способ использования медных следов, так что в некотором отношении он сам по себе является замкнутым контуром?

Вы совершенно правы.

Правило «замкнутого контура» происходит от упрощения, которое мы часто используем в анализе цепей, называемого «моделью с сосредоточенными компонентами». Эта модель обеспечивает хорошее приближение к фактическому поведению схемы на постоянном и низких частотах, где влияние паразитной индуктивности, емкости и скорости света можно игнорировать.

Тем не менее, эти факторы становятся значительными на высоких частотах и ​​больше не могут быть проигнорированы. Любая цепь ненулевого размера имеет индуктивность и емкость и способна излучать (или принимать) электромагнитную волну. Вот почему радио работает на всех.

Как только вы начнете рассматривать паразитные емкости, вы обнаружите, что все связано практически со всем остальным (особенно с близлежащими объектами), и есть замкнутые контуры, в которых вы обычно не ожидаете их найти.

Отвечая на ваш заголовок:

Разве я безумен, чтобы задаться вопросом, что электроны могут двигаться только по замкнутому пути?

Токи обычно * путешествуют в петлях. Однако петли не обязательно должны быть полностью выполнены из проводников (например, из меди). Ток - это поток заряда. Следовательно, все следующие физические явления представляют собой ток:

• Электроны, протекающие в медной проволоке
• Ионы (которые заряжены) движутся между электродами батареи (или электролитического конденсатора)
• Электроны, летящие в вакууме (т. Е. Термоэлектронные клапаны, электронно-лучевая трубка)
• И, что не менее важно, ток смещения

Последний отвечает на вопрос «как ток может проходить через конденсаторный диэлектрик?». Вкратце, заряды, накапливающиеся на одной пластине вашего конденсатора, будут отталкивать заряды на другой пластине и создавать иллюзию, что электроны проходят через диэлектрик колпачка, хотя на самом деле это не так. Одна пластина заполняется электронами, а другая - электронами.

... * Да, конечно! Вы можете иметь токи, которые не распространяются по петлям: просто стреляйте электронным пучком в глубокий космос с достаточной скоростью, чтобы вырваться из солнечной системы. Очевидно, что это не относится к дизайну бытовой электроники.

Кроме того, у него есть недостаток: у вас есть только определенное количество электронов для стрельбы ... и чем больше электронов выстреливает ваша «пушка», тем более заряженным становится заряд, что делает отправку электронов все труднее.

Принимая во внимание, что ваша обычная схема, которая представляет собой петлю, перерабатывает те же электроны (если постоянный ток) или просто покачивает их (переменный ток), и будет работать до тех пор, пока батарея / атомная электростанция / солнечный элемент имеют доступную энергию.

Правило № 1. Не существует такой вещи, как разомкнутая цепь, кроме как в условиях постоянного состояния постоянного тока .

Между каждым проводом, каждой деталью и даже каждым атомом существует емкость, сопротивление и индуктивность по отношению к другому проводу, детали и атому. Микроскопическое, как это может быть, оно есть. Даже внутри провода или самой детали.

Однако, если тестируемая цепь находится в устойчивом состоянии постоянного тока, емкость и индуктивность не имеют нагрузки, только сопротивление, и этого достаточно, чтобы не иметь значения. Чтобы ток протекал в этой «цепи», он должен иметь путь от начальной точки до конечной точки.

Правило № 2. Не существует такого понятия, как постоянное состояние постоянного тока.

Мы плаваем в море электромагнитных волн. Таким образом, устойчивая схема постоянного тока фактически невозможна. Кроме того, каждый ток в вашей цепи создает свое собственное электромагнитное поле, которое взаимодействует друг с другом И с этими внешними полями. В вашей схеме всегда будет то, что мы называем «шумом».

Правило № 3: Чем быстрее вы модулируете напряжение / ток, тем больше потенциальных путей цепи вам нужно беспокоиться

Те маленькие невидимые контуры, о которых я упоминал в правиле № 1, имеют полное сопротивление, которое изменяется по мере увеличения частоты, которую вы пытаетесь передать. Таким образом, чем выше мы идем, тем больше нам приходится иметь дело со странными эффектами, такими как потеря сигнала, отражения и шумовое излучение, и это лишь некоторые из них.

К счастью:

По большей части мы можем отклонить большинство этих эффектов, потому что на частотах, которые вы используете, они производят небольшие помехи.

Схема переменного тока 60 Гц работает в основном так же, как показано на схеме, если соединения не длинные. Мы можем смело сделать смелое утверждение о том, что цепь должна быть завершена, чтобы ток протекал, потому что ток, который на самом деле течет, в основном недостаточно измерим, чтобы иметь значение.

Однако, если вы пытаетесь передать сигнал 100 ГГц по той же схеме, вы обнаружите, что числа больше не имеют никакого смысла.

Что касается сломанных петель ... См. Правило № 1

Вы безумны, чтобы подвергнуть сомнению это?

Нет, на самом деле совсем наоборот. Всегда хорошо задуматься и задать такие вопросы. Тем не менее, ответы могут привести вас туда.

Концепция, которая может вам помочь, - это концепция линии электропередачи. Идеализированная линия передачи - это линия с характеристическим сопротивлением и фиксированной задержкой. Думайте о линии передачи как след на плате. Задержка вызвана тем, что, когда на одну сторону линии подается напряжение, возникает задержка, прежде чем оно может быть обнаружено в конце линии. Надеюсь, это имеет смысл. Что в действительности делает трасса, так это позволяет электрическому полю распространяться вниз по линии к нагрузке. Поле может путешествовать только со скоростью света, а не быстрее. Таким образом, существует период времени, когда поле было применено, но нагрузка еще не почувствовала его. М-да.

Итак, каков характерный импеданс? Назовем его Z. Когда напряжение (V) впервые подается на вход линии передачи, ток, который течет, строго является функцией Z. Не имеет значения, что находится на другом конце линии. Может быть, это разомкнутая цепь или короткое замыкание или катушка индуктивности или конденсатор. Давайте просто предположим, что это открытая цепь. Несмотря на это, ток, который протекает в линию передачи, будет V / Z, пока электрическое поле не распространится до конца отраженной линии и не вернется к источнику. В некотором смысле, электрическое поле опрашивает линию и нагрузку, и когда оно достигает конца, возвращается отражение, которое возвращает информацию о нагрузке обратно в источник. Отражение, возвращаемое от конца линии, может снова отражаться, когда оно достигает источника,

Так что, в любом случае, вы правы, полагая, что ток может перетекать в «разомкнутую цепь». Конечно, когда это происходит или когда это важно, это означает, что вам нужно улучшить свою модель схемы, чтобы учесть эти линии передачи или паразитные емкости или что-то еще. Теория линии электропередачи предоставляет способ сделать это.

Особый случай линии электропередачи - это когда нагрузка на конце точно равна характеристическому сопротивлению линии. Это может быть в том случае, если трасса печатной платы имеет резистор, подключенный к нему на конце, а другой конец резистора подключается к GND. Когда это происходит, если значение резистора совпадает с Z, на самом деле отражения нет. Таким образом, ток, который течет в линию, это просто I = V / Z. Поскольку отражение не возвращается, ток продолжает оставаться V / Z. Теперь давайте рассмотрим размышления.

Когда конец строки не заканчивается в Z, будет некоторое отражение. Это отражение ведет себя точно так же, как исходное электрическое поле, распространяющееся по линии, за исключением того, что оно возвращается к источнику. Если источник ограничен резистором со значением Z, то отражение будет полностью поглощено источником. Другими словами, если полное сопротивление источника равно Z, отражение от нагрузки будет полностью поглощено, точно так же, как если бы нагрузка была Z, отражение назад к источнику не будет.

Но если ни нагрузка, ни источник не заканчиваются на Z, то теоретически отражение будет продолжаться вечно, подпрыгивая назад и вперед. Конечно, в реальном мире отражение исчезнет из-за некоторой потери энергии. Если ничего другого, ненулевое сопротивление медного провода приведет к потерям.

Я надеюсь, что вы можете получить что-то из этого. Поначалу эффекты линии передачи трудно усвоить, особенно если у вас нет другой исходной информации. Поэтому я попытался объяснить это несколько интуитивно понятным способом, который, я надеюсь, поможет вам.

Антенна - это «разомкнутая цепь», если вы внимательно посмотрите на нее. Говоря об переменном токе, особенно радиочастотном переменном токе, проводники не являются идеализированными компонентами, а взаимодействуют с окружающей их средой. Если вы говорите об отражениях, вы говорите о свойствах проводника, которые не соответствуют свойствам прямых соединений в принципиальной схеме.

Существуют настоящие схемы, построенные с использованием схем проводников типа «протравить эскиз» на печатной плате. Многие микроволновые цепи и фильтры не содержат ничего, кроме расположения проводников, которое в связи с наличием свободного пространства между ними фактически соответствует сложному составу индуктивностей и емкостей.

При просмотре на гораздо более низких частотах, включая постоянный ток, вся микроволновая цепь может быть только одним или двумя проводниками, точно так же, как антенна, наблюдаемая на гораздо более низких частотах, чем ее рабочие частоты, является просто открытым соединением.

Где эти скрытые / паразитические пути имеют значение?

Рассмотрите возможность соединения ВАС с бетоном под полом: расстояние 1 см, площадь 0,1 метра на 0,3 метра, диэлектрическая проницаемость - используйте воздух (1.000002 или близко).

Какова емкость от вас до пола?

Так? Теперь коснитесь неонового трансформатора, 50 000 вольт при 60 Гц (377 радиан / секунду). DV / dT = 50000 (предполагаемый пик) * d (sin (60 Гц) / dT) = 50000 * 377 ~ 20 ~ 20 миллионов вольт в секунду.

Какой ток через тебя? I = C * dV / dt = 36 e-12 * 20e + 6 = 700 мкА.

Вы хотите избежать этого. Даже если нет явно замкнутой цепи.

Строго говоря, электроны дрейфуют в направлении, противоположном направлению потока тока. Чтобы ток протекал (и энергия двигалась), вам нужна разность потенциалов (напряжение) между начальной и конечной точками. Обратите внимание, что электроны также движутся внутри атомов, в орбитальных оболочках, но на самом деле никто не знает, как; возможно, они ходят кругами.

Это просто неправда, хотя, как и многие правила, это хорошее и полезное приближение применительно к соответствующим обстоятельствам (цепи постоянного тока, низкочастотные сети переменного тока, где нас в первую очередь интересует передача электроэнергии).

Электроны всегда движутся, за исключением абсолютного нуля (которого вы не можете достичь). Увеличьте усиление на любом усилителе достаточно высоко, и даже если его вход тщательно экранирован от любого внешнего воздействия, будет слышен шипящий (аудио) или другой случайный сигнал. Это электроны, толкающиеся во входной схеме под воздействием температуры окружающей среды.

Хранение заряда на конденсаторах абсолютно необходимо для современной полупроводниковой электроники. Логическими состояниями являются захваченные пакеты электронов. В устройстве флэш-памяти высокое напряжение направляет электроны через нормально изолирующий барьер на то, что фактически является пластиной конденсатора и затвором полевого транзистора. Когда высокое напряжение снимается, электроны остаются на месте в течение многих лет (или дольше), и их наличие или отсутствие может быть определено по проводимости транзистора. Действительно, принято измерять количество электронов (которое определяет напряжение на затворе и, следовательно, выходной уровень транзистора) и квантовать его до одного из восьми уровней, сохраняя, таким образом, три бита как одно из восьми количеств электронов в одном транзисторе.

Схема конце концов замыкается, когда эти электроны просачиваются в результате теплового шума и квантового «туннелирования». Как упомянуто выше, это займет много лет, если ячейка не будет перезаписана путем повторного применения высокого напряжения.