Elektronların hareket edebildiğini ancak kapalı bir yolla sorgulayabileceğim için deliriyor muyum?


41

Her şeyden önce, elektrik devrelerinin nasıl çalıştığı veya arkalarındaki fizik hakkında herhangi bir şey söyleyebilecek kadar güvende hissetmediğimi söylememe izin verin, çünkü hepsini bilmiyorum veya anlamıyorum.

Fakat birçok kez okudum, akımın bir devrede akması için kapalı bir yol olması gerektiğini, kapalı bir iletken döngü yoksa hiçbir şeyin olamayacağı gerçeğine yol açtım.

Ve bunu kesin bir gerçek olarak kabul ettim, ama bir şeyi merak ediyorum (ve buradaki sebeplerin çok uzağında olabilirim).

Eğer çok yüksek frekanslı sinyallerin (akımların) akacağı izleri içeren bir devre kartı tasarlayacak olsaydım, sinyal yansımaları gibi şeyleri göz önünde bulundurmam gerekir, ne yansımaları tamamen fiziksel terimlerden meydana getirdiğini bilmiyorum (ama yansıyan bir sinyalin orijinal olarak iz üzerinden gönderilen akım (lar) ın belirli bir miktarı olduğunu hayal edin) fakat görünüşe göre bir iz (veya kablo) üzerinden yüksek frekanslı bir sinyal gönderirsem, belirli koşullar altında sinyal aşağı doğru hareket edebilir. İz (tel) sadece bir şeyden sıçramak ve sonra ilk geldiği yere kadar seyahat etmek. Bir şeyden tekrar sıçrayabildiği ve böylece iz uzunluğunu tekrar tekrar ileri doğru uzağa götürebileceği ve ölene kadar küçülüp küçüldüğü yerde.

Bu sadece kafamın tepesinden gelen şeyler, ilk başta hiç adil bir anlayış edinemediğim şeyler. Ancak senaryoyu bu çok yüksek frekans durumuyla sınırlarsak, bir sinyal veya akım geldiği yere geri yansıtılabilirse, o zaman neden kapalı bir döngü olup olmadığıyla ilgili olması gerekir.

Kırık bir döngü bu tür akımların etrafta zıplaması için yollar sunamaz mı?

Bu karmaşık meselelere ilişkin göreceli olarak çok düşük bir içgörü seviyesinde olduğumu biliyorum ama şimdi bunun neden mümkün olmayacağını bilmiyorum. Biri beni aydınlatabilseydi çok mutlu olurum.

Bunu destekleyecek hiç bir şey olmadan tek bir hipotezim var, ama belki de çok yüksek frekans senaryosu iz bırakan bakırın kullanılma biçimini değiştirir, böylece bir bakıma kendi içinde kapalı bir halka olur mu?


4
Buradan okuyun: en.wikipedia.org/wiki/Süric_electricity, bu, yükün bir yere taşındığı ve orada kaldığı (bir süre) sabit elektrikle ilgili statik elektriktir . Şarj / elektronlar döngüler içinde dolaşmaz. Ancak başvurular sınırlıdır. Bilgi işlemenin çok pratik bir yoludur. Bir bedeli bir şeye taşımanın , yeni bedeli zaten ödemekte olan bedel olarak artan miktarda enerji gerektirdiğini unutmayın .
Bimpelrekkie

2
Yüksek frekanslı etkileri normal akım yollarından ayırma eğilimindeyiz, böylece her şeyi tamamen birbirine karışmayan düzgün bir model elde edebiliriz. Gerçek şu ki, frekanslar arttıkça iletkenler ve bileşenler içinde, kapalı devre olsun veya olmasın gerçekleşen her türlü elektron hareketi vardır. Birçoğuna gürültü diyoruz, bir kısmı da bir Anten'deki gibi, bir sinyal diyoruz ... git.
Trevor_G

7
Yani temelde, haklısın ... ama yine de deli olabilirsin;)
Trevor_G

1
Bir devre kapatılmalıdır. Yüksek frekanslarda, devrelerin parçaları kolayca anten olarak çalışabilir, böylece 'açık devreler' üzerinde etkilere sahip olabilirsiniz ... ancak yüksek frekanslara bile ihtiyacınız yoktur. Transformatörü olan herhangi bir cihaz, birincilden ikinciye 'kapalı bir döngü' olmadan enerji (ve bazen çok fazla) gönderir. Elektrik, manyetik veya elektromanyetik alanlar söz konusu olduğunda işler yüksek veya düşük frekanslarda daha karmaşık hale gelir.
Claudio Avi Chami

2
Ve sadece not etmek gerekirse, bunun böyle düşünmesine yardım ederse, açık devreyi, devreyi kapatan yerin her yerinde son derece yüksek bir dirence (neredeyse sonsuz) sahip olmanın yanı sıra küçük endüktanslar ve kapasitanslar açısından modelleyebilirsiniz.
Michael

Yanıtlar:


53

Tamamen haklısın.

"Kapalı döngü" kuralı, "parçalanmış komponent modeli" olarak adlandırılan devre analizinde sıklıkla kullandığımız basitleştirmeden gelir. Bu model, parazitik endüktans, kapasitans ve ışık hızının etkisinin göz ardı edilebildiği DC ve düşük frekanslardaki gerçek devre davranışına iyi bir yaklaşım sağlar.

Ancak, bu faktörler yüksek frekanslarda önemli hale gelir ve artık göz ardı edilemez. Sıfır boyutunda olmayan herhangi bir devre endüktans ve kapasitansa sahiptir ve bir elektromanyetik dalga yayabilir (veya alabilir). Bu yüzden radyo hiç çalışmıyor.

Parazitik kapasitansları düşünmeye başladığınızda, her şeyin hemen hemen her şeyle (yakındaki nesnelere moreso) bağlı olduğunu ve normalde onları bulmayı beklemeyeceğiniz kapalı döngüler olduğunu keşfedeceksiniz.


3
Başka bir yorumda dediğim gibi, alanlar kendi sözlerine sahip olduğunda, devreler analiz etmek için daha karmaşık hale gelir. Ve yüksek frekanslara bile ihtiyacınız yok. Bir şebeke trafosu bunun yeterli bir kanıtıdır.
Claudio Avi Chami

@ClaudioAviChami Bir şebeke trafosunun primerden sekonder bir akım yolu yoktur ve sarımlar arası kapasitansı yok sayarak ikisi arasında akım yoktur.
Dmitry Grigoryev

Dmitry Grigoryev'de bir anten vericisinden ve bir anten alıcısından da akan bir akım yok. Ancak enerji alanlardan taşınır. Manyetik, elektrik ve elektromanyetik.
Claudio Avi Chami

23

Başlığınıza cevap vermek:

Elektronların hareket edebildiğini ancak kapalı bir yolla sorgulayabileceğim için deliriyor muyum?

Akımlar genelde * döngü halinde hareket eder. Bununla birlikte, halkaların tamamen iletkenlerden (örn. Bakır) yapılması gerekmez. Akım bir yük akışıdır. Bu nedenle, aşağıdaki tüm fiziksel olaylar akımı temsil eder:

  • Bakır telde akan elektronlar
  • Bir akünün elektrotları (veya bir elektrolitik kondansatör) arasında hareket eden iyonlar (şarj edilir)
  • Vakumdan uçan elektronlar (yani, termiyonik valfler, katod ışını tüpü)
  • Ve, son fakat en az değil, yer değiştirme akımı

Sonuncusu "Akım kapasitörün dielektrikinden nasıl geçebilir?" Sorusuna cevap verir. Kısa bir özet, kapasitörünüzün bir plakasında biriken yüklerin, diğer plakanın üzerindeki yükleri uzağa iteceği ve elektronların, kapağın dielektrikinden aktığı yanılsamasını verdiği, gerçekte olmadıklarıdır. Bir plaka elektronlarla doluyor, diğeri ise elektronları boşaltıyor.

... * Evet tabi ki! Döngülerde dolaşmayan akımlara sahip olabilirsiniz: sadece güneş sisteminden kaçmak için yeterli hızda bir elektron ışınını derin uzaya doğru çekin. Açıkçası, bu günlük elektronik tasarım için geçerli değildir.

Ayrıca, bir dezavantajı var: yalnızca belli sayıda elektronunuz var ... ve "silahınız" ne kadar çok elektronu vuruyorsa, elektronları o kadar fazla şarj eder ve elektronların gönderilmesini giderek zorlaştırır.

Her zamanki bir döngü olan normal devreniz aynı elektronları geri dönüştürür (eğer DC ise) veya sadece onları (AC) kıpırdatır ve pil / nucular santral / güneş pili kullanılabilir enerjiye sahip olduğu sürece çalışır.


2
Doğru yazım nükleer. (Ya ülkenizde her atom bir nucule var?)
user253751

4
@ immibis George Bush nükleer fizik okuluna katıldı.
Majenko


"Vakumdan uçan elektronlar" veya hatta ince hava, bir döngü olmadığında, hızlandıklarında mükemmel bir şekilde uçarlar. Ayrıca, katod ışınlarının büyük erkek kardeşini görün: beta radyasyon ...
rackandboneman 27:17

2
@Turion iyi ole gore Gorge W. Bush;) Buna asla karşı koyamam.
peufeu

14

Kural 1. DC sürekli hal koşulları haricinde açık devre diye bir şey yoktur .

Her tel arasında, her parça ve hatta her atom arasında, başka bir tel, parça ve atomun kapasitansı, direnci ve endüktansı vardır. Olduğu gibi mikroskobik, orada. Telin içinde veya parçanın içinde bile.

Bununla birlikte, test ettiğiniz devre sabit bir DC durumundaysa, kapasitans ve endüktans yüksüzdür, sadece direnç olur ve bu önemli değil. Akımın bu "Devre" de akması için başlangıç ​​noktasından bitiş noktasına kadar bir yolu olması gerekir.

Kural 2. DC Steady State koşulları gibi bir şey yoktur.

Elektromanyetik dalgalar denizinde yüzüyoruz. Bu nedenle, kararlı bir durum DC devresini elde etmek aslında imkansızdır. Ayrıca, devrenizdeki her akım, birbiriyle ve dış alanlarla etkileşime giren kendi elektromanyetik alanını üretiyor. Devrenizde her zaman "gürültü" dediğimiz şey olacaktır.

Kural # 3: Bir voltaj / akımı ne kadar hızlı modüle ederseniz, endişelenmeniz gereken o kadar potansiyel devre yolları

Kural 1'de bahsettiğim o küçük görünmez devreler, geçmeye çalıştığınız frekanslar arttıkça değişen empedanslara sahiptir. Ne kadar yüksekse, o kadar çok gittikçe sinyal kaybı, yansımalar ve ses emisyonu gibi garip etkilerle başa çıkmak zorundayız.

Neyse ki:

Çoğunlukla bu etkilerin çoğunu ortadan kaldırabiliriz, çünkü kullandığınız frekanslarda çok az rahatsızlık verir.

60Hz'lik bir AC devresi temel olarak devre şemasıyla aynı şekilde çalışır ve bağlantıların uzun olup olmadığını gösterir. Akımın akması için devrenin tamamlanması gerektiğine dair cesurca bir ifade verebiliriz, çünkü aslında akan akım temelde madde için yeterince ölçülemez.

Bununla birlikte, aynı devre boyunca 100 GHz'lik bir sinyal iletmeye çalışıyorsanız, sayıları artık bir anlam ifade etmeyecek şekilde bulacaksınız.

Kırık döngülere gelince ... Bkz. Kural # 1

Bunu sormaya deli misin?

Hayır, aslında tam tersi. Derin düşünmek ve böyle sorular sormak her zaman iyidir. Ancak, cevaplar sizi oraya götürebilir.


3

Size yardımcı olabilecek bir konsept, iletim hattı konseptidir. İdealleştirilmiş iletim hattı karakteristik bir empedansa ve sabit bir gecikmeye sahiptir. İletim hattını bir devre kartındaki iz olarak düşünün. Gecikme, hattın bir tarafına bir voltaj uygulandığında, hattın sonunda tespit edilemeden önce bir gecikme olduğundan kaynaklanır. Umarım bu mantıklı. İzin gerçekte yaptığı şey, elektrik alanın çizgiyi yüke doğru ilerletmesine izin vermektir. Alan sadece ışık hızında seyahat edebilir, daha hızlı değil. Bu nedenle, alanın uygulandığı bir zaman periyodu vardır, ancak yük henüz bunu hissetmedi. Hmmm.

Öyleyse, karakteristik empedans nedir? Buna Z olarak bakalım. Bir iletim hattının girişine ilk önce bir voltaj (V) uygulandığında, akan akım kesinlikle Z'nin bir fonksiyonudur. Hattın diğer ucunda ne olduğu önemli değildir. Belki bir açık devre veya kısa devre veya bir indüktör veya kapasitördür. Açık bir devre olduğunu varsayalım. Buna rağmen, iletim hattına akan akım V / Z olacaktır. UNTIL, elektrik alanı hattın sonuna kadar yayılır ve kaynağa geri döner. Bir anlamda, elektrik alanı çizgiyi ve yükü sorguluyor ve sonuna geldiğinde, yükle ilgili bilgileri kaynağa geri getiren bir yansıma geri geliyor. Çizginin sonundan gelen yansıma kaynağa ulaştığında tekrar yansıtabilir,

Her neyse, akımın "açık devre" içine akabileceğini düşünmekte haklısın. Elbette, bu gerçekleştiğinde veya önemli olduğunda, bunun anlamı, bu iletim hatlarını veya parazitik kapasitansları veya her neyse hesaba katmak için devre modelinizi geliştirmeniz gerektiğidir. İletim hattı teorisi bunu yapmanın bir yolunu sunar.

Bir iletim hattının özel bir durumu, uçtaki yükün hattın karakteristik empedansına tam olarak eşit olduğu durumdur. PCB izinin sonunda kendisine bağlı bir direnç varsa ve rezistörün diğer ucu GND'ye giderse durum böyle olabilir. Bu olduğunda, eğer direnç değeri Z ile aynı ise, aslında yansıma olmaz. Dolayısıyla, çizgiye akan akım basitçe I = V / Z'dir. Yansıma geri gelmediğinden, akım V / Z olmaya devam eder. Şimdi yansımaları düşünelim.

Çizginin sonu Z'de sonlandırılmadığında, bazı yansımalar olacaktır. Bu yansıma, kaynağa geri dönmesi dışında, çizgiden geçen orijinal elektrik alanı ile aynı şekilde hareket eder. Kaynak, Z değerindeki bir dirençle sonlandırılırsa, yansıma kaynakta tamamen emilecektir. Başka bir deyişle, kaynak empedansı Z ise, yükten gelen yansıma tamamen absorbe edilir, aynı şekilde yük Z ise, kaynağa geri yansıma olmaz.

Fakat ne yük ne de kaynak Z'de sonlandırılmazsa, yansıma teorik olarak sonsuza dek devam eder ve ileri geri zıplar. Tabii ki gerçek dünyada, bir çeşit enerji kaybı yüzünden yansıma sönecek. Başka bir şey olmazsa, bakır telin sıfır olmayan direnci kayıplara neden olur.

Umarım bundan bir şey çıkartabilirsin. İletim hattı etkilerinin, özellikle başka arka plan bilgileriniz yoksa, ilk başta özümlemesi zor olabilir. Bu yüzden, size yardımcı olacağını umduğum gibi, sezgisel bir şekilde açıklamaya çalıştım.


Olumlu oy ver Olumlu oy ver !!! Kapalı döngüler yalancı çocuklardır.
rackandboneman

1
Bir iletim hattı pano üzerinde bir iz değildir. Bir gemide İKİ iz veya bir iz ve GND dönüşü. PCB üzerindeki iletim hatları bir DC kaynağı, bir direnç ve bir LED kadar kapalı olan kapalı döngülerdir.
Claudio Avi Chami

@ClaudioAviChami, GND uçağından bahsetmedim. Verilen için alarak. Ama ben farkındayım. OP'nin sorusunu gözden geçirirseniz, bu tam olarak sorulan şeydir, bir açık devre ile sonlandırılmış bir izdir.
mkeith

Büyük bir PCB üzerinde GHz Harmonikli sinyalleri konuşurken sonra, PCB iz çiftleri çok iyi gerçek "uzun" iletim hatları olabilir .....
rackandboneman

3

Bir yakından bakarsanız, anten bir "açık devre" dir. Alternatif akımdan, özellikle de radyo frekansı AC'den bahsederken, iletkenler idealleştirilmiş bileşenler değildir, ancak çevreleriyle etkileşime girerler. Yansımalar hakkında konuşuyorsanız, bir devre şemasında basit bağlantıların özellikleriyle orantılı olmayan iletkenin özellikleri hakkında konuşuyorsunuz.

Bir PCB üzerinde sadece bir taslak-taslak tip iletken düzeneği kullanılarak yapılmış gerçek devreler vardır. Birçok mikrodalga devreleri ve filtreleri, aralarındaki boş alan ile bağlantılı olarak, aslında endüktifliklerin ve kapasitelerin karmaşık bir bileşimine karşılık gelen bir iletken düzenlemesinden daha fazlasını içermez.

DC dahil çok daha düşük frekanslarda görüntülendiğinde, tüm mikrodalga devresi, çalışma frekanslarından sadece açık bir bağlantı olduğundan çok daha düşük frekanslarda görüntülenen bir anten gibi, yalnızca bir veya iki iletken olabilir.


1

Bu gizli / paraziter yollar nerede önemlidir?

Sizden zeminin altındaki betona bağlanmayı düşünün: 1 cm boşluk, 0,1 metre x 0,3 metre alan, dielektrik sabiti --- hava kullanın (1,000002 veya yakın).

Sizden zemine kapasitansınız nedir? veya [9e-12Farad / metre * 1] * [0.1 * 0.3] / 0.01 = 9e-12 * 0.03 / 0.01 Kapasite = 9e-12 * 3 = 36 picoFarad.

Capacitance=EoErArea/distance

Yani? Şimdi 60Hz'de (377 radyan / saniye) 50.000 voltluk neon tabela trafosuna dokunun. DV / dT = 50.000 (varsayılan tepe) * d (sin (60Hz) / dT) = 50.000 x 377 ~ 20 Milyon volt / saniye.

Senin içinden geçen akım nedir? I = C * dV / dt = 36 e-12 * 20e + 6 = 700 mikroAmp.

Bundan kaçınmak istiyorsun. Açıkça kapalı devre olmasa bile.


-1

Kesin konuşursak, elektronlar akımınkine ters yönde kaymaktadır. Akımın akması (ve enerjinin hareket etmesi) için başlangıç ​​ve bitiş noktaları arasında potansiyel bir fark (voltaj) gerekir. Elektronların atomların içinde, yörünge kabuklarında da hareket ettiğini, fakat kimsenin gerçekten nasıl olduğunu bilmediğine dikkat edin; belki çevrelerinde dolanırlar.


-1

Birçok kural gibi, uygun koşullara uygulandığında iyi ve faydalı bir yaklaşım olsa da doğru değildir (DC devreleri, düşük frekanslı AC şebeke devreleri, öncelikle elektrik enerjisinin transferiyle ilgileniyoruz).

Elektronlar mutlak sıfır dışında (ulaşamadığınız) haricinde daima hareket eder. Herhangi bir amplifikatördeki kazancı yeterince artırın ve girişi herhangi bir dış etkene dikkatle tarandığında bile, bir tıs (ses) veya başka bir rastgele sinyal belirgin hale gelecektir. Bu, ortam sıcaklığının etkisi altında giriş devresinde dolaşan elektronlardır.

Modern katı hal elektroniği için kapasitörlerde şarj depolama kesinlikle önemlidir . Mantıksal durumlar, sıkışmış elektron paketleridir. Bir flash bellek cihazında, yüksek voltaj, normal olarak yalıtkan bir bariyerden elektronları bir kapasitör plakası ve alan etkili bir transistörün kapısı üzerine etkili bir şekilde geçirir. Yüksek voltaj alındığında, elektronlar yıllarca (veya daha uzun süre) kalır ve varlıkları veya yokluğu, transistörün yapıp yapmadığına göre belirlenebilir. Aslında, bir miktar elektron ölçmek (kapıdaki voltajı ve dolayısıyla transistörün çıkış seviyesini belirleyen) ölçmek ve bunu sekiz seviyeden birine ölçmek, böylece üç bitin tek bir transistör içinde sekiz miktar elektrondan biri olarak depolanması yaygındır.

Bu elektronlar, termal gürültü ve kuantum "tünelleme" sonucu sızıntı yaptığında devre sonunda kapanır. Yukarıda bahsedildiği gibi, hücre yüksek gerilimi yeniden uygulayarak yeniden yazılmadığı sürece bu durum uzun yıllar alır.

Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.