Почему основные законы цепи нарушаются при высокочастотном переменном токе?

44

Мы только начинаем всю радиочастотную сцену, имея дело с постоянным и низкочастотным переменным током для всех наших предыдущих курсов.

Я понимаю, что при высокочастотном переменном токе законы фундаментальных цепей больше не применяются, и классические модели пассивных компонентов необходимо изменить. Основанием для этого было то, что при высокочастотной передаче переменного тока длина волны становится намного меньше и иногда может быть меньше, чем проводка на печатных платах и т. Д.

Я понимаю, что это проблема при передаче через свободное пространство с электромагнитными волнами, но почему это проблема с фактическими физическими проводами и печатными платами, управляемыми источником переменного тока? Я имею в виду, что это прямая связь, мы не используем электромагнитные волны, чтобы распространяться через свободное пространство, и поэтому длина волны и прочее не должны иметь значение, верно?

ac high-frequency AlfroJang80
источник

10

При постоянном токе идеальный индуктор является коротким, а идеальный конденсатор - открытым. В пределе «от постоянного тока до дневного света» идеальный индуктор является открытым, а идеальный конденсатор - коротким. Если вы откроете осциллограф Tektronix, предназначенный для верхних пределов производительности ГГц, вы сможете увидеть проводящие пути, образованные серией емкостных чередующихся и проводящих блоков, образованных чем-то похожим на простой след.

августа

9

Волна требует времени, чтобы добраться до другого конца провода, не так ли? Если у вас есть провод длиной в световой год, и вы подключаете батарею к одному концу, пройдет не менее года, прежде чем батарея поймет, что к другому концу ничего не подключено. И в это время ваша батарея будет разряжаться в, казалось бы, разомкнутую цепь.

user253751

3

@EricDuminil Они также ведут себя так, как вы их строите.

user253751

4

@immibis: Так я обычно измеряю сопротивление моих бесконечно длинных коаксиальных кабелей.

PlasmaHH

2

«мы не используем электромагнитные волны для распространения через свободное пространство» технически неправильно - даже если вы не собираетесь использовать их таким образом, если у вас есть физические провода и высокочастотный переменный ток, тогда это распространение в свободном пространстве происходит независимо от того, хочешь ты этого или нет.

Петерис

97

На самом деле, это есть все о волнах. Даже при работе с постоянным током все это управляется электрическими и магнитными полями и волнами.

«Основные законы» не нарушаются. Выученные вами правила - это упрощения, которые дают точные ответы при определенных условиях - вы еще не изучили основные законы. Вы собираетесь изучать основные законы после употребления упрощений.

Часть предполагаемых условий для упрощенных правил состоит в том, что схема намного меньше, чем длина волны сигнала (ов). В этих условиях вы можете предположить, что сигнал находится в одном и том же состоянии по всей цепи. Это приводит к множеству упрощений в уравнениях, описывающих схему.

Поскольку частоты становятся выше (или контуры больше), так что цепь составляет значительную долю длины волны, это предположение больше не действует.

Влияние длины волны на работу электрических цепей впервые стало очевидным на низких частотах, но с очень большими цепями - телеграфными линиями.

Когда вы начинаете работать с РЧ, вы достигаете таких длин волн, что размер схемы, которая находится на вашем столе, составляет значительную долю длины волны используемых сигналов.

Итак, вы начинаете обращать внимание на вещи, которые вы могли бы раньше удобно игнорировать.

Правила и уравнения, которые вы сейчас изучаете, также применимы к более простым, низкочастотным цепям. Вы можете использовать новые вещи для решения более простых схем - вам просто нужно больше информации и решать более сложные уравнения.

JRE
источник

Паразитные эффекты несовершенных материалов, незначительные в LF, укусят инженера HF.

утра

53

Наука начальной школы также кусает нас: неправильные представления о том, что электричество - это отдельный вид энергии, что электроны = энергия, или что электроны движутся со скоростью света, как говорили миссис Фриззл и Билл Най. На самом деле все цепи являются волноводами, энергия распространяется как электромагнитные поля, энергия цепи - это радиоволны НЧ, и электроны лишь слегка покачиваются, когда энергетические волны распространяются по нашей схеме. Антенны Xmit не превращают электричество в электромагнитные поля, это были электромагнитные поля; «электричество» всегда было фотонами: даже цепи постоянного тока имеют дело с энергией волн электромагнитных полей.

wbeaty

В общем, нас все время учили неправильно.

AlfroJang80

3

@ AlfroJango80: совсем не задом наперед. Вы узнали упрощение, которое работает для многих вещей. Это достаточно просто, чтобы вы могли работать с ним сразу и достаточно точно, чтобы быть полезным.

JRE

@wbeaty В постоянном токе электроны путешествуют, хотя, конечно, << c. Но вы правы, что это все еще волна, так как всегда было пусковое напряжение без постоянного тока, поэтому преобразование Фурье за все время имеет частотные составляющие.

Карл Виттофт,

26

\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})

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

Они всегда были фундаментальными законами ЭМ, но на более низких частотах мы находим решение этих многомерных дифференциальных уравнений довольно сложным и не слишком полезным для поддержки нашего понимания схемы. Вы не хотите вызывать симметрию, чтобы правильно решить уравнение для распространения вдоль провода, если чистая разница между коротким проводом 18ga и длинным проводом 0000 составляет 0,0000001% относительно интересующего вас поведения.

Соответственно, люди уже интегрировали эти уравнения для простых случаев, таких как провода на низких частотах, и нашли уравнения, которые вам давали в предыдущих классах. Что ж, более точно, мы сначала нашли эти уравнения, затем нашли уравнения Максвелла, когда углубились в EM, а затем в конечном итоге показали, что исходные уравнения соответствовали уравнениям Максвелла.

Лично я считаю, что лучше всего исследовать это на примере. Я хотел бы взять пример из знаменитого тома «Искусство высокоскоростного цифрового дизайна» (подзаголовок: «Справочник по черной магии»). В своем введении они указывают, насколько важен выбор типа конденсатора. Они утверждают, что на высоких скоростях конденсатор может выглядеть как индуктор, потому что его провода представляют собой два параллельных провода. Параллельные провода имеют индуктивность.

$\frac{-1}{\omega C}$ $\omega L$ $\frac{-1}{\omega C} + \omega L = \frac{\omega^2 CL - 1}{\omega C}$ $\omega^2CL \ll 1$

Аналогично, на высоких частотах становится все труднее игнорировать тот факт, что провода излучают электромагнитное излучение. На низких частотах этот эффект тривиален, но на высоких частотах большое количество энергии может рассеиваться в самом проводе.

Корт Аммон
источник

Корт, когда за ответ @ τεκ проголосуют больше, я проголосую за это.

Роберт Бристоу-Джонсон

26

Потому что предположения, требуемые моделью с сосредоточенными элементами , нарушаются. Модель с сосредоточенными элементами позволяет анализировать устройства, такие как резисторы, соединенные узлами, без учета физической схемы устройств и схемы.

Модель с сосредоточенными элементами предполагает:

Изменение магнитного потока во времени вне проводника равно нулю.

\frac{\partial ϕ_{B}}{\partial t} = 0

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

Изменение заряда во времени внутри проводящих элементов равно нулю.

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

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

Характеристическая длина («размер» узлов и устройств) намного меньше, чем длина волны интересующего сигнала.

L_{c} << λ

$L_c << \lambda$

τεκ
источник

Я не знаю, почему этот ответ не тот, что наверху кучи. это прямо и правильно отвечает на корневой вопрос.

Роберт Бристоу-Джонсон

9

Я согласен - но вместо того, чтобы просто перечислять эти уравнения без объяснения, я бы хотел посмотреть, как уравнения Кирхгофа выходят из уравнений Максвелла. Глава 2.3 «Планарной микроволновой инженерии» Тома Ли справляется с этой задачей довольно хорошо.

DivB

Это отличный точный ответ, хотя он не определяет сложные модели LEM, когда правила нарушаются, но другие ответы охватывают эту проблему.

Sparky256

Когда традиционная модель схемы с сосредоточенными элементами не работает на высоких частотах, я добавляю больше элементов для моделирования непрерывных линий передачи для моделирования конечных элементов.

richard1941,

25

Здесь много сложных (и правильных) ответов. Я добавлю одну простую аналогию - подумайте о стрельбе из пистолета:

на расстоянии 10 см время перемещения пули равно расстоянию / скорости, а точка попадания находится на линии, идентичной топору ствола
на расстоянии 10 м вы видите, что пуля попала в цель ниже, поскольку гравитация немного потянула ее вниз, и вы должны отрегулировать свою цель для нее
на 20 м нужно больше настраиваться, так как гравитация больше на него влияет
на 100 м вы видите, что даже с учетом гравитации она не подходит. Почему? Да, есть и воздух, и пуля тоже замедлена. Также мы видим, что пуля делает все остальное, чем просто летит прямо, так как ее вращение в сочетании с вертикальной скоростью сжимает воздух с одной стороны, и пули танцуют там. Также мы можем видеть, что он, вероятно, не полностью однороден, что добавляет к его движению еще один фактор
на 1000 м мы видим, что еще есть что-то еще - да, Земля вращается, и это тоже имеет значение
так что идите выше, где он не будет так быстро заканчивать полет в земле, скажем, на орбите, и стреляйте туда - опять есть еще на счет - мы забыли и о гравитации луны
и на еще большем расстоянии мы видим, что существует не только гравитация на Солнце, но также и свет, идущий от Солнца, который тоже слегка его толкает, и все те электрически активные частицы, которые создают в нем небольшие токи и магические поля ...
и в чрезвычайно длинных (как межзвездные) следах также гравитация других галактик (не удивительно), но наши буллы успевают изменить свою внутреннюю структуру, поскольку даже свинец очень медленно распадается на другие химические элементы в результате распада радиоактивности

Что ж, теперь это очень сложно, поэтому давайте вернемся к 10-сантиметровому расстоянию при старте - значит ли это, что формула время = расстояние / скорость не работает? Или не работает наша окончательная суперсложная формула?

Что ж, обе работы, поскольку все эти элементы, которые мы медленно добавляли в наши вычисления, все еще присутствуют, только на таком коротком расстоянии разница настолько мала, что мы даже не можем ее измерить. И поэтому мы можем использовать нашу «простую» формулу - которая не совсем точна, но в некоторых разумных условиях дает разумные точные результаты (скажем, до 5 десятичных знаков), и мы можем быстро ее выучить, быстро применить и получить результаты, которые верны (до 5 знаков после запятой) в интересующем нас масштабе.

То же самое касается постоянного тока, медленного переменного тока, радиочастот, сверхвысоких частот ... каждое последующее является более точной версией предыдущего, каждое предыдущее является особой версией следующего в ситуации, когда небольшие различия настолько малы, что мы можем откажись от них и получи "хороший результат".

gilhad
источник

4

@ gilhad Этот ответ должен быть обязательным для чтения и изучения для всех учащихся EE.

analogsystemsrf

11

Я имею в виду, что это прямая связь, мы не используем электромагнитные волны, чтобы распространяться через свободное пространство, и поэтому длина волны и прочее не должны иметь значение, верно?

Это очень неправильное предположение. Сигналы остаются электромагнитными волнами и остаются электромагнитными волнами, если они распространяются через свободное пространство или проводник. Законы остаются прежними.

При соединениях (проводах) в порядке длины волны вы больше не можете использовать подход «сосредоточенный элемент». Подход "сосредоточенного элемента" означает, что связи считаются "идеальными". Для высокочастотных сигналов на расстояниях порядка длины волны и более этот подход недопустим.

Итак, помните: законы ЭМ не меняются при прохождении ЭМ волны через пространство или проводник, они применяются в обоих случаях. ЭМ волны остаются ЭМ волнами в свободном пространстве или в проводнике.

Bimpelrekkie
источник

Хорошо. Я понимаю, что электромагнитные волны все еще существуют при передаче напряжения переменного тока через провод, но они не способствуют правильному действительному потоку тока (не считая его небольшого уменьшения с помощью противоположной ЭДС). Так почему же мы должны отказаться от всех наших низкочастотных моделей и моделей постоянного тока, когда по существу этот переменный ток все еще течет через этот провод? Я просто не понимаю, как длина волны слишком мала, когда у нас есть прямой провод от источника переменного тока и нагрузки.

AlfroJang80

Следует добавить, что даже для самых высокоскоростных сигналов, которые можно ожидать на «нормальной» печатной плате, модель с сосредоточенными параметрами все еще применима, если учитывать емкость и индуктивность всей дорожки. В конце концов, расстояния небольшие.

Янка

4

@ AlfroJang80, дипольная антенна - это просто пара прямых проводов от источника питания до их открытых концов. И все же он может передавать и принимать беспроводные радиосигналы. Где-то между очень коротким проводом, который не передает и не получает никакой энергии, и четвертьволновым диполем, который передает и получает очень эффективно, должен быть средний уровень, где радиационные эффекты значительны, но не доминируют.

Фотон

3

@ AlfroJang80 Подумайте о простой ситуации, когда «ток» - это просто «движение электронов». Если что-то заставляет двигаться первый электрон в проводе, что заставляет двигаться следующий и следующий, а также те, которые находятся на расстоянии 1 км, если это длинный провод, -? Ответьте, электромагнитное поле вокруг каждого электрона. Не забывайте, что простая цепь, состоящая только из батареи, переключателя и резистора, не является «цепью постоянного тока» в тот момент, когда вы открываете или закрываете выключатель, потому что ток меняется - но в вашем первом курсе в цепи постоянного тока анализ, вы игнорируете этот факт.

Алефзеро

2

@ AlfroJang80 ток - это только половина, а напряжение - другая половина. Это ключ. Ток - это часть магнетизма электромагнитной волны, напряжение - это часть электронных полей. «VI» - это «EM». Все провода являются волноводами! Но мы можем игнорировать это, если скажем, что электромагнитная волна на самом деле представляет собой отдельное «Е», напряжение и «М» ток. Затем сконцентрируйтесь только на постоянном напряжении / усилении, игнорируйте электромагнитные волны в цепи. Но даже постоянный ток - это волна с частотой 0 Гц (или с частотой 0,0001 Гц.). В физике схем постоянного тока не существует, и все на самом деле являются электромагнитными волнами, направляемыми длинными рядами электронов, причем вся энергия «электричества» распространяется только за пределы проводов. ,

18:15

8

Они не ломаются, но когда время нарастания приближается к 10% или меньше, чем задержка распространения, согласование импеданса нагрузки важно из-за этой длины волны. Импеданс нагрузки инвертируется в источник на 1/4 длины волны, независимо от того, проводится он или излучается.

Если нагрузка не соответствует согласованному импедансу с «линией передачи и источником», отражения будут происходить в соответствии с некоторым коэффициентом, называемым обратными потерями и коэффициентом отражения.

Вот эксперимент, который вы можете сделать, чтобы продемонстрировать проводимые электромагнитные волны.

Если вы попробуете исследовать прямоугольную волну 1 МГц на прицеле 10: 1 с заземляющим зажимом 10 см, вы можете увидеть коаксиальный резонанс с сосредоточенными параметрами 20 МГц. Да, датчик не согласован с генератором на 50 Ом, поэтому отражения будут происходить в соответствии с заземляющим проводом 10 нГ / см и специальным коаксиальным кабелем датчика 50 пФ / м. Это все еще ответ с сосредоточенным элементом (LC).

Уменьшение зонда 10: 1 до менее чем 1 см до кончика штифта и кольца без длинного заземляющего зажима повышает резонансную частоту, возможно, до ограничения зонда и диапазона при 200 МГц.

Теперь попробуйте коаксиал 1: 1 1 м, который равен 20 нс / м, так что прямоугольная волна 20 ~ 50 МГц на коаксиальном кабеле 1 м с зондом 1: 1 увидит отражение на одной доле длины волны и отклик ужасного прямоугольного сигнала, если только прекращается в объеме с 50 ом. Это отражение электромагнитной волны.

Но учтите, что сигнал быстрой логики с временем нарастания 1 нс может иметь импеданс источника 25 Ом, а ширина полосы> 300 МГц, поэтому перерегулирование может быть ошибкой измерения или фактическим несовпадением импеданса с отражениями длины дорожки.

Теперь вычислите 5% длины волны 300 МГц при 3e8 м / с для воздуха и 2e8 м / с для коаксиального кабеля и посмотрите, каковы времена задержки распространения, которые вызывают эхо-сигналы из-за несовпадающей нагрузки, например, CMOS с высоким Z и, скажем, 100-омные треки , Вот почему контролируемые импедансы необходимы обычно выше 20 ~ 50 МГц, и это влияет на звон или перегрузку или несоответствие импеданса. Но без этого, поэтому логика имеет такую большую серую зону между «0 и 1», чтобы можно было звонить.

Если какие-либо слова неизвестны, ищите их.

Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
источник

@PeterMortensen ty

Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75

7

Хотя на этот вопрос пару раз отвечали, я хотел бы добавить аргументацию, которую лично я нахожу наиболее открытой для глаз, и он взят из книги Тома Ли «Плоская микроволновая инженерия» (глава 2.3).

Как указано в других ответах, большинство людей забывают, что законы Кирхгофа - это просто приближения, которые выполняются при определенных условиях (сосредоточенный режим), когда предполагается квазистатическое поведение. Как это доходит до этих приближений?

Давайте начнем с цитат Максвелла в свободном пространстве:

\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)

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

Уравнение 1 утверждает, что в магнитном поле нет расходимости и, следовательно, нет магнитных монополей (запомните мое имя пользователя! ;-))

Уравнение 2 является законом Гаусса и утверждает, что существуют электрические заряды (монополи). Это источники расходимости электрического поля.

Уравнение 3 - это закон Ампера с модификацией Максвелла: оно утверждает, что обычный ток, а также изменяющееся во времени электрическое поле создают магнитное поле (а последнее соответствует известному току смещения в конденсаторе).

Уравнение 4 является законом Фарадея и гласит, что изменяющееся магнитное поле вызывает изменение (скручивание) в электрическом поле.

Уравнение 1-2 не важно для этого обсуждения, но уравнение 3-4 отвечает, откуда происходит волновое поведение (и поскольку уравнения Максвелла являются наиболее общими, они применяются ко всем цепям, включая постоянный ток): изменение E вызывает вероятность в H, который вызывает изменение E и так далее. Является ли это членами связи, которые производят волновое поведение !

Теперь предположим, что mu0 равен нулю. Тогда электрическое поле не имеет скручивания и может быть выражено как градиент потенциала, который также подразумевает, что интеграл линии вокруг любой замкнутой траектории равен нулю:

V = \oint E d l = 0

$V = \oint E dl = 0$

Вуаля, это только теоретико-полевое выражение закона напряжения Кирхгофа .

Точно так же установка epsilon0 в ноль приводит к

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

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

Это означает, что дивергенция J равна нулю, что означает, что (чистый) ток не может накапливаться в любом узле. Это не что иное, как действующий закон Кирхгофа .

На самом деле epsilon0 и mu0, конечно, не равны нулю. Тем не менее, они появляются в определении скорости света:

c = \sqrt{\frac{1}{μ_{0} ϵ_{0}}}

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

С бесконечной скоростью света члены связи исчезли бы, и волновое поведение не было бы вообще. Однако, когда физические размеры системы малы по сравнению с длинами волн, тогда конечность скорости света не заметна (аналогично, поскольку замедление времени всегда существует, но не будет заметно для низких скоростей, и, следовательно, уравнения Ньютона являются приближением Теория относительности Эйнштейна).

DIVB
источник

почему так мало голосов? Мне нравится этот ответ.

Neil_UK

1

Электрические сигналы требуют времени для распространения по проводам (и следы печатной платы). Медленнее, чем электромагнитные волны в вакууме или воздухе, всегда.

Например, витая пара в кабеле CAT5e имеет коэффициент скорости 64%, поэтому сигнал перемещается со скоростью 0,64 с, а в наносекунде он проходит около 8 ". В некоторых электронных контекстах наносекунда - это длительное время. Это 4 такта циклы в современном процессоре, например.

Любая конфигурация проводников конечного размера имеет индуктивность, емкость и (обычно) сопротивление, поэтому ее можно аппроксимировать, используя сосредоточенные компоненты с более высокой степенью детализации. Вы можете заменить провод с 20 индукторами серии и резисторы с 20 конденсаторами на заземление. Если длина волны очень мала по сравнению с длиной, вам может потребоваться 200 или 2000 или ... что угодно, чтобы приблизить провод, и другие методы могут начать выглядеть привлекательно, например, теория линий передачи (как правило, один семестровый курс для ЭЭ) ,

«Законы», такие как KVL, KCL - это математические модели, которые очень точно аппроксимируют реальность при соответствующих условиях. Более общие законы, такие как уравнения Максвелла, применяются более широко. Могут быть ситуации (возможно, релятивистские), когда уравнения Максвелла уже не очень точны.

Спехро Пефхани
источник

2

Уравнения Максвелла можно модифицировать (Lorentz – FitzGerald), чтобы сделать их инвариантными при релятивистских преобразованиях. Если вы читаете по-немецки (как и я), то это, вероятно, лучший краткий обзор преобразованных уравнений, который я могу быстро найти. Мне тоже это нравится .

Джон

1

Это является волной. То же самое, что здесь происходит, - это то же самое, о котором говорят, когда упоминается, как это «электричество движется со скоростью света», хотя электроны «движутся» гораздо медленнее. На самом деле скорость света в большинстве проводящих материалов составляет около 2/3 (IIRC), то есть около 200 000 км / с. В частности, когда вы нажимаете, например, переключатель, вы посылаете электромагнитную волну по цепи, которая вызывает движение электронов. В этом случае это «шаговая» волна - за ней поле постоянно высоко, впереди оно равно нулю, но когда оно проходит, электроны теперь движутся. Волны движутся в среде с более медленными скоростями, чем в свободном пространстве, но они по-прежнему проходят через среду - вот почему, в конце концов, этот свет может проходить через стекло.

В этом случае источник напряжения постоянно «качает» взад-вперед и, таким образом, настраивает колебательные волны, которые одинаковым образом движутся с одинаковой скоростью. На низких частотах, таких как 60 Гц, длина этих волн намного больше, чем масштаб одного устройства в человеческом масштабе, а именно для этой конкретной частоты около 3000 км (200 000 км / с * (1/60 с)), по сравнению с 0,1 м (100 мм) для типичной ручной печатной платы, что означает масштабный коэффициент около 30 000 000: 1, и, таким образом, вы можете рассматривать его как равномерный ток, который периодически изменяется.

С другой стороны, скажем, 6 ГГц - то же самое относится к радиочастотным радиочастотным применениям, как и в технологии телекоммуникационной передачи, - и теперь длина волны в 100 миллионов раз короче, или 30 мм. Это намного меньше, чем масштаб схемы, волна важна, и теперь вам нужны более сложные электродинамические уравнения, чтобы понять, что происходит, и хороший оле: Кирхгоф просто больше не будет резать горчицу :)

The_Sympathizer
источник

1

Более простой ответ: потому что паразитные компоненты, которые не прорисованы на вашей принципиальной схеме, начинают играть роль:

последовательное сопротивление (ESR) и последовательная индуктивность конденсаторов,
увеличение сопротивления проводов за счет скин-эффекта,
параллельное демпфирование (вихревые токи) и параллельная емкость индукторов,
паразитная емкость между узлами напряжения (например, между трассами печатных плат, включая «землю»),
паразитная индуктивность токовых петель,
связанная индуктивность между токовыми петлями,
связь магнитных полей между неэкранированными индукторами, которая может зависеть от случайной полярности размещения компонентов,
...

Это также тема EMC, очень важная, если вы хотите создать схемы, которые действительно работают в полевых условиях.

Кроме того, не удивляйтесь, если вы даже не можете измерить то, что происходит. Выше МГц или около того становится искусством правильно подключать пробник осциллографа.

StessenJ
источник

1

У вас есть много отличных ответов на ваш вопрос, поэтому я не буду повторять то, что уже было сказано.

Вместо этого я постараюсь адресовать ваши комментарии к различным ответам. Судя по комментариям, которые вы разместили, у вас, по-видимому, есть общее неправильное понимание физических законов, регулирующих схемы.

Вы, кажется, думаете, что «движущиеся электроны в проводе» являются чем-то совершенно не связанным с электромагнитными волнами. И эти электромагнитные волны вступают в игру только в определенных ситуациях или сценариях. Это в основном неправильно.

Как уже говорили другие, уравнения Максвелла (ME отныне) являются ключом к истинному пониманию проблемы. Эти уравнения способны объяснить все явления ЭМ, известные человечеству, за исключением квантовых явлений. Таким образом, они имеют очень широкий спектр применения. Но это не главное, что я хочу сказать.

Вы должны понимать, что электрические заряды (например, электроны) генерируют электрическое поле вокруг них самим своим существованием. И если они движутся (то есть если они являются частью электрического тока), они также генерируют магнитное поле.

Бегущие ЭМ-волны (то, что обычные люди обычно понимают как ЭМ-волны) - это просто распространение вариаций электрических и магнитных полей в пространстве («вакууме») или любой другой физической среде.

В основном это то, что говорят мне.

Более того, ME также говорят вам, что когда поле изменяется (электрическое или магнитное), тогда «автоматически» возникает другое поле (и оно тоже меняется). Вот почему электромагнитные волны называются электромагнитными : изменяющееся во времени электрическое поле подразумевает существование изменяющегося во времени магнитного поля и наоборот. Не может быть никакого переменного E-поля без меняющегося M-поля, и, симметрично, не может быть никакого M-поля без сопровождающего меняющегося E-поля.

Это означает, что если у вас есть ток в цепи, и этот ток не является постоянным током (в противном случае он генерирует только статическое магнитное поле), вы будете иметь электромагнитную волну во всем пространстве, окружающем путь тока . Когда я говорю «во всем пространстве», я имею в виду «все физическое пространство», независимо от того, какие тела занимают это пространство.

Конечно, присутствие тел изменяет «форму» (то есть характеристики) электромагнитного поля, генерируемого током: фактически, компоненты являются «телами», предназначенными для контролируемого изменения этого поля.

Путаница в ваших рассуждениях может быть вызвана тем фактом, что компоненты с сосредоточенными параметрами рассчитаны на хорошую работу только в предположении, что поля изменяются медленно . Технически это называется допущением квазистатического поля : предполагается, что поля изменяются так медленно, что они очень похожи на те, которые присутствуют в реальной ситуации постоянного тока.

Это предположение приводит к резким упрощениям: мы можем использовать законы Кирхгофа для анализа схемы без заметных ошибок. Это не означает, что вокруг и внутри компонентов и дорожек печатной платы нет электромагнитных волн. Действительно есть! Хорошей новостью является то, что их поведение может быть полезно уменьшено до токов и напряжений с целью проектирования и анализа схемы.

Лоренцо Донати поддерживает Монику
источник

1

Вы действительно задаете два вопроса: 1) «Почему нарушаются законы фундаментальной цепи» на высоких частотах переменного тока. 2) Почему они также должны выходить из строя при использовании «реальных физических проводов ...»

Первый вопрос был рассмотрен в предыдущих ответах, но второй вопрос наводит меня на мысль, что ваш ум не перешел от «движения электронов» к движению электромагнитных волн, о которых я расскажу.

Независимо от того, как генерируются электромагнитные волны , они одинаковы (кроме амплитуды и частоты). Они распространяются со скоростью света и по «прямой» линии .
В конкретном случае, когда они генерируются зарядами, протекающими по проводу , волна будет следовать направлению проволоки !
Всегда , когда вы имеете дело с движущимися зарядами, вы имеете дело с электромагнитными волнами . Однако, когда отношение длины волны к размеру схемы достаточно велико, эффекты 2-го и более высокого порядка достаточно малы, чтобы в практических целях их можно было игнорировать.

Я надеюсь, теперь ясно, что провода служат только для направления электромагнитных волн, а не для изменения их природы.

Guill
источник

Фантастика! Это было именно мое беспокойство.

AlfroJang80,

Последняя вещь. Таким образом, при низкочастотном переменном токе электроны движутся взад и вперед, и это генерирует волны эмаг, которые распространяются. Однако из-за низкой частоты количество энергии, содержащейся в этих волнах, пренебрежимо мало, и поэтому не имеет значения, принимаем мы их во внимание или нет. При высокочастотном переменном токе эти волны Эмага теперь содержат гораздо больше энергии, и мы должны учитывать их, а также помнить, что формы напряжения и тока также будут задерживаться в разных точках цепи. Это правильно?

AlfroJang80

-1

Вам нужно изменить то, как вы думаете об электричестве. Думайте о понятии как об электроне, колеблющемся в пустом пространстве. В постоянном токе колебания толкают и смещают электроны в одном и том же общем направленном векторе. На высоких частотах смещения происходят во многих направлениях с более высокими скоростями и более случайно, и каждый раз, когда вы смещаете электроны, что-то происходит, и использование уравнений, перечисленных здесь и в учебниках, помогает моделировать то, что произойдет. Когда вы разрабатываете проект, вы пытаетесь создать модель, определить шаблоны происходящего и использовать это для решения проблем.

Двойной E CPU
источник

Почему основные законы цепи нарушаются при высокочастотном переменном токе?

Ответы: