我是否疯狂地质疑只有闭合路径才能使电子移动?

电器工程 高频 电路理论
2022-01-24 05:35:36

首先让我声明,我没有足够的信心告诉任何人任何关于电路如何工作或任何关于它们背后的物理的事情,因为我根本不知道或理解这一切。

但是我多次读到,电流必须有一条闭合路径才能在电路中流动,这导致一个事实,即如果没有闭合的导电回路,就不会发生任何事情。

我认为这是一个确定的事实,但我想知道一些事情(我也可能离理性之路非常远)。

如果我要设计一个电路板,其中包含非常高频信号(电流)将流过的迹线,那么我必须考虑信号反射之类的东西,我不知道纯物理术语中的反射是什么(但我必须想象一下反射信号是最初通过迹线发送的一定量的电流)但显然如果我沿着迹线(或电线)发送高频信号,那么在某些条件下信号可以沿着trace(wire) 只是为了从某物上反弹,然后一直回到它最初来自的地方。它可能会再次从某物上反弹,因此它可以在轨迹的长度上来回反弹,一遍又一遍地变得越来越小,直到它消失。

这只是我脑海中浮现的东西,我一开始从未获得过公平理解的东西。但是,如果我们将场景限制在这种非常高频的情况下,如果信号或电流可以反射回它到达的地方,那么为什么它甚至必须与是否存在闭环相关。

难道一个断开的回路不能为这种电流反弹提供路径吗?

我知道我对这些复杂问题的洞察力相对较低,但我现在不知道为什么这是不可能的。如果有人能启发我,我会很高兴。

我有一个单一的假设,没有任何东西可以支持它,但也许非常高频率的情况会改变走线铜的使用方式,因此它在某些方面本身就是一个闭环?

4个回答

你是完全正确的。

“闭环”规则来自我们在电路分析中经常使用的一种简化,称为“集总元件模型”。该模型很好地近似了直流和低频下的实际电路行为,其中寄生电感、电容和光速的影响可以忽略不计。

然而,这些因素在高频时变得很重要,不能再被忽视。任何非零尺寸的电路都具有电感和电容,并且能够辐射(或接收)电磁波。这就是为什么收音机能正常工作的原因。

一旦你开始考虑寄生电容,你会发现所有东西都与几乎所有其他东西相连(更何况与附近的物体),并且存在你通常不会期望找到它们的闭环。

回复你的标题:

我是否疯狂地质疑只有闭合路径才能使电子移动?

电流通常*循环流动。然而,环路不必完全由导体(即铜)制成。电流是电荷的流动。因此,以下所有物理现象都代表电流:

  • 电子在铜线中流动
  • 离子(带电)在电池(或电解电容器)的电极之间移动
  • 电子在真空中飞行(即热电子阀、阴极射线管)
  • 最后但并非最不重要的一点是位移电流

最后一个回答了“电流如何通过电容器的电介质?”的问题。一个快速的总结是,在电容器的一个板上积累的电荷会将另一板上的电荷推开,并给人一种电子流过电容电介质的错觉,而实际上它们不是。一块板充满电子,而另一块板正在耗尽电子。

... * 是的当然!你可以让电流不循环流动:只需将电子束射入深空,以足够的速度逃离太阳系。显然,这不适用于日常电子设计。

此外,它还有一个缺点:你只有一定数量的电子可以射出……而且你的“枪”射出的电子越多,它就变得越带正电,这使得发射电子变得越来越困难。

而您通常的电路是一个循环,可回收相同的电子(如果是直流电)或只是将它们摆动(交流电),只要电池/核电站/太阳能电池有可用能量,它就会运行。

规则1。除了在直流稳态条件下,没有开路之类的东西

在每根电线、每一个零件甚至每一个原子之间,都存在与其他电线、零件和原子之间的电容、电阻和电感。尽管它可能是微观的,但它就在那里。即使在电线或零件本身内。

但是,如果您正在测试的电路处于稳定的直流状态,则电容和电感无负载,只有电阻有负载,这足够高无所谓。为了让电流在那个“电路”中流动,它必须有一条从起点到终点的路径。

规则#2。没有 DC 稳态条件之类的东西。

我们在电磁波的海洋中游来游去。因此,实际上不可能实现稳态直流电路。此外,电路中的每一个电流都在产生它自己的电磁场,这些电磁场相互之间以及与那些外部场相互作用。在你的电路中总会有我们所说的“噪音”。

规则#3:你调制电压/电流的速度越快,你需要担心的潜在电路路径就越多

我在规则 #1 中提到的那些不可见的小电路的阻抗会随着您尝试通过的频率的增加而变化。因此,我们走得越高,我们就越需要处理奇怪的影响,比如信号丢失、反射和噪声发射等等。

幸运的是:

在大多数情况下,我们可以忽略大部分这些影响,因为在您使用的频率下,它们几乎不会产生干扰。

如果连接不长,60Hz 交流电路的工作原理与电路图所示基本相同。我们可以安全地做出大胆的声明,即电路需要完整才能使电流流动,因为实际流动的电流基本上无法测量到无关紧要。

但是,如果您尝试在同一电路中传递 100GHz 信号,您会发现这些数字不再有意义。

至于损坏的循环...参见规则#1

你是不是疯了问这个问题?

不,实际上恰恰相反。深入思考并提出这样的问题总是好的。但是,答案可能会驱使您到达那里。

一个可能对您有所帮助的概念是传输线概念。理想化的传输线是具有特性阻抗和固定延迟的传输线。将传输线视为电路板上的迹线。造成延迟的原因是当在线路的一侧施加电压时,在线路末端检测到电压之前存在延迟。希望这是有道理的。走线的真正作用是允许电场沿线路传播到负载。场只能以光速行进,不能更快。所以有一段时间施了场,但还没有感觉到负荷。嗯。

那么,什么是特性阻抗呢?让我们将其称为 Z。当电压 (V) 首次应用于传输线的输入时,流过的电流严格地是 Z 的函数。线路另一端的内容无关紧要。也许它是开路或短路或电感器或电容器。让我们假设它是一个开路。尽管如此,流入传输线的电流将是 V/Z,直到电场一直传播到传输线的末端,反射回来,然后返回源头。从某种意义上说,电场正在询问线路和负载,当它到达终点时,反射回来,将有关负载的信息带回源头。从线路末端返回的反射可能会在到达源时再次反射,

因此,无论如何,您认为电流可以流入“开路”是正确的。当然,当这种情况发生时,或者当它很重要时,这意味着您需要改进电路模型以考虑这些传输线或寄生电容等。传输线理论提供了一种方法来做到这一点。

传输线的一个特殊情况是末端的负载正好等于线路的特性阻抗。如果 PCB 走线的末端连接了一个电阻,而电阻的另一端连接到 GND,则可能会出现这种情况。发生这种情况时,如果电阻值与 Z 相同,则实际上没有反射。因此,流入线路的电流就是 I = V/Z。由于没有反射回来,电流继续为 V/Z。现在让我们考虑反射。

当行尾没有终止于 Z 时,会有一些反射。这种反射的行为方式与沿线传播的原始电场完全相同,只是它会回到源头。如果源端用阻值为 Z 的电阻器终止,则反射将在源处完全吸收。换言之,如果源阻抗为 Z,则来自负载的反射将被完全吸收,就像如果负载为 Z,则不会有反射回源。

但是如果负载和源都没有在 Z 端终止,那么理论上反射将永远持续,来回反弹。当然,在现实世界中,反射会由于某种能量损失而消失。如果不出意外,铜线的非零电阻会造成损耗。

我希望你能从中得到一些东西。传输线效应一开始可能很难吸收,尤其是在您没有其他背景信息的情况下。所以我试着用一种有点直观的方式来解释它,希望对你有所帮助。