电信号流向哪个方向?

电器工程 射频 信号 电磁学 电磁 电子
2022-01-21 01:29:12

我们知道电子从负极移动到正极,并且空穴以常规的电流方向流动 - 从正极到负极。

我一直认为这意味着电信号以传统的电流方向传播,并且接近光速的是空穴的传播。在进一步的研究中,我发现电信号是通过电子激发穿过介质的电磁波。

这就引出了问题。如果电信号是电磁波在接近c处的传播,这些波会朝哪个方向传播?在常规方向?在电子流的方向?两个方向?

我可以很容易地想象信号是无方向的,并且从接触点/信号源向各个方向传播,就像黑暗房间里的光一样。但我不确定。


澄清

注意:这只是提供了一个实验,也许可以澄清上述问题的意图。我会接受不解决这部分问题的答案。请注意,您可以将其视为思想实验,但我认为可以物理设置此电路。唯一的问题是我们必须应对现实世界中的阻力。

考虑一个有 3 公里导体的电路。我们从连接到 1 公里导体的直流电源开始。为简单起见,您可以假设导体的电阻为零。我们在导体末端安装了一个 LED。然后我们用 2km 的导体回到直流电源完成电路:

                1km of wire
        ┌─────────────────────────────────[resistor]─(LED)───┐
        │                                                    │
         ╱ switch                                            │
        │                                                    │
[DC voltage source]                                          │
        └────────────────────────────────────────────────────┘
                      2km of wire

假设电线缠绕在一起,使得灯泡和开关在物理上彼此相邻。

如果我关闭开关,我预计 LED 会在大约 3.34 us 之后(光行进 1 公里所需的时间)或 6.68 us 之后或介于两者之间打开?

1km的线接正极还是负极有区别吗?

如果电线没有缠绕,而是物理布置在 1.5 公里的距离上,这有什么不同吗?物理几何是否有所作为,例如。一个圆圈与一条直线并返回?

4个回答

如果电信号是电磁波在接近 c 处的传播,这些波会朝哪个方向传播?在常规方向?在电子流的方向?两个方向?

“两个”方向,以及全向组件。

最好的例子可能是以太网电缆。一个比特表示为一个脉冲。为了传输这个脉冲,驱动芯片将一个输出短暂地拉低,另一个输出为高。如果它让它们像那样离开,那么将形成一个传统的电路,电流在它们之间通过另一端的终端电阻在一个回路中流动。但是,它不会,它会很快(比如说一纳秒)将驱动器移回相等的电压。

这会在正极发送线上启动上升沿,在负极发送线上启动下降沿。如果你有一个足够快的示波器夹在电线上,这些将显示为电压,但实际上它们是沿着电线传播的小 EM 脉冲。

每个脉冲还在导体外部辐射电磁波。因为电线以恒定的距离绞合在一起,所以发射的“正”波几乎完全抵消了发射的“负”波。如果不这样做,由于电磁干扰,您将无法在同一个房间使用收音机。

电缆可以被建模为沿着电线的一串微型电感器,在两个导体之间有一个梯形的微型电容器。每个电感器将输入电流变化的能量存储在磁场中,然后再沿导线向前发射。

一般主体称为“传输线”。有效速度低于光速,但不多(见“速度因子”)。

接近光速的空穴的行进

比这复杂一点。(我自己并没有费心去完全理解这一点!)但是,我相信这就是为什么 NPN 晶体管(P 区域中的空穴迁移率)优于 PNP 晶体管(N 区域中的电子迁移率)的原因。

这几天我将写一篇关于为什么电子会分散学习电的注意力的规范文章。电是相当简单的,并且遵循一些可以用基本微积分分析的数学定律。电子不是管子里的小乒乓球,它们是奇怪的量子物体,能够出现、消失、穿过固体物体,而且更难正确建模。

信号像池塘中的波浪一样向各个方向传播,它们是电流的干扰,不一定是电流本身。

电缆中的信号由无线电波携带,该无线电波在电线周围的空间中传播。平行线或双绞线具有这种能力。同轴电缆也有,但波只限于中间线和屏蔽层之间的绝缘层。

波以电场和磁场的形式发生,它不在金属内部。金属中的电子只能使波沿电缆传播。波场会在金属表面感应出一些电流,我们也可以将电场的强度压缩到单个数字,当然,如果有波,电压取决于地点和时间。在低频下,我们几乎可以忘记波并使用电压和电流进行所有计算。一条 60Hz 的电力线必须超过 100 英里长,才能跳过波的存在开始导致重大错误。

一种常见的做法是,必须将长度超过 10% 波长的导线视为传输波的传输线。如果它们没有被设计成适当的传输线,结果将是不可预测的。我在实验中发现,最短波长的 1% 或更少对于自由形式布线来说是一个更安全的限制。

波从电场或磁场的任何变化开始。一个可以的。将电缆末端切换到电压源(线路发射器 IC 可以)或转动极性。波沿电缆传播,距离发生变化的点更远。随着场的力量,电子在局部移动。同时,电流也可以在电线的不同位置流向不同的方向。连续不变的 DC 不会发生这种情况。

添加由于插入的电池+ 开关+ 1km 线 + Led+ 电阻器+ 2 km 线示例。

电线的几何形状以及它们在地面上的放置方式从根本上影响了信号到达 LED 的方式。如果您将电池和 LED 颠倒再试一次,则不会存在差异,极性不会影响波形。如果电线不平行,这不是传输线。如果不知道确切的几何形状,就不可能计算或模拟这种情况。如果电线缠绕在线圈上,它们就是电感器,肯定会对电路产生一些影响。在一个幸运的其他几何案例中,您可以向太空发射可测量的无线电波,因为您可以拥有一个工作天线。

这个关于如何在直流电路中建立电场的答案可能会帮助您想象在您想象的电路的初始时刻会发生什么。当您关闭开关时,在开关端子处积累的表面电荷将开始重新组合和重新分布,以建立沿导体路径定向
的均匀电场\$E = j/\sigma\$ 。
因此,电路的形状以及开关和负载的位置会改变这种重新分配发生的方式,而不管一旦达到稳定状态,结果是一样的。
宽圆形电路的行为不同于两根电线彼此靠近铺设的电路,也不同于两根电线绞合甚至放在另一根电线内部的电路(同轴电缆)。

如果您想知道会发生什么,您必须使用取决于电路几何形状和元件位置的正确边界条件来求解麦克斯韦方程组。

您还可以尝试将电路建模为传输线,将其近似为分布式元件链,其容量和电感取决于连接的几何形状和它们之间空间的磁导率。每单位长度的容量表示电线一侧的电荷影响另一侧的电荷的方式,而每单位长度的电感表示与正向和反向电流相关的磁通量之间的相互作用(非常粗略地说;你可以翻译这个到线路抵抗电压和电流变化的程度)。
请注意,这种建模要求您将电路拆分为端点之间的连接均匀的部分(带状线的均匀间距,电缆的均匀扭曲,同轴线中的均匀半径比)。