ฉันรู้สึกบ้าที่จะถามว่ามีเพียงเส้นทางปิดเท่านั้นที่อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้?

ก่อนอื่นให้ฉันแค่บอกว่าฉันไม่มั่นใจพอที่จะบอกใครว่าวงจรไฟฟ้าทำงานอย่างไรหรืออะไรก็ตามที่เกี่ยวกับฟิสิกส์ที่อยู่เบื้องหลังพวกเขาเพราะฉันไม่รู้หรือเข้าใจทั้งหมด

แต่ฉันมีหลายครั้งที่อ่านว่าจะต้องมีเส้นทางปิดสำหรับกระแสไหลในวงจรที่นำไปสู่ความจริงที่ว่าถ้าไม่มีวงนำไฟฟ้าแบบปิดไม่มีอะไรเกิดขึ้น

และฉันได้ใช้มันเป็นความจริงที่ชัดเจน แต่ฉันสงสัยเกี่ยวกับบางสิ่งบางอย่าง (และฉันก็อาจจะห่างไกลจากเส้นทางของเหตุผลที่นี่อย่างมาก)

ถ้าฉันออกแบบแผงวงจรที่มีร่องรอยซึ่งสัญญาณความถี่สูงมาก (กระแส) จะไหลดังนั้นฉันต้องพิจารณาสิ่งต่าง ๆ เช่นการสะท้อนสัญญาณฉันไม่ทราบว่าการสะท้อนนั้นประกอบไปด้วยอะไรในแง่กายภาพ (แต่ฉันต้อง ลองจินตนาการว่าสัญญาณที่สะท้อนนั้นเป็นจำนวนหนึ่งของกระแสไฟฟ้าที่ถูกส่งไปตามรอยเดิม แต่เห็นได้ชัดว่าถ้าฉันส่งสัญญาณความถี่สูงลงไปตามรอย (หรือสาย) จากนั้นภายใต้เงื่อนไขบางประการสัญญาณสามารถเดินทางลง ตามรอย (สาย) เท่านั้นที่จะกระเด็นของบางสิ่งและจากนั้นเดินทางตลอดทางกลับไปยังจุดที่มันมาจากครั้งแรก ที่ซึ่งมันอาจกระเด็นของบางสิ่งบางอย่างอีกครั้งและเพื่อให้มันสามารถกระเด้งกลับไปกลับมาเดินทางตามความยาวของร่องรอยซ้ำแล้วซ้ำอีกจะเล็กลงเรื่อย ๆ จนกว่ามันจะตาย

นี่เป็นเพียงแค่ส่วนบนของหัวของฉันสิ่งที่ฉันไม่เคยได้รับความเข้าใจอย่างยุติธรรมในตอนแรก แต่ถ้าเรา จำกัด สถานการณ์ให้อยู่ในสถานการณ์ที่มีความถี่สูงมากนี้หากสัญญาณหรือกระแสสามารถสะท้อนกลับไปยังที่ที่มันเกิดขึ้นได้ทำไมมันถึงต้องเกี่ยวข้องว่ามีลูปปิดหรือไม่

เส้นทางที่วนซ้ำไม่สามารถใช้เพื่อให้กระแสดังกล่าวกระเด็นไปมาได้หรือไม่?

ฉันรู้ว่าฉันอยู่ในระดับที่ค่อนข้างต่ำของความเข้าใจในเรื่องที่ซับซ้อนเหล่านี้ แต่ตอนนี้ฉันก็ไม่ได้ว่าทำไมถึงเป็นไปไม่ได้ ฉันจะมีความสุขมากถ้าใครสามารถสอนฉัน

ฉันมีสมมติฐานเดียวโดยไม่มีสิ่งใดที่เคยสนับสนุน แต่บางทีสถานการณ์ความถี่สูงมากเปลี่ยนวิธีการใช้ทองแดงร่องรอยเพื่อให้ในบางแง่เป็นวงปิดในตัวเอง?

คุณพูดถูก

กฎ "วงปิด" มาจากการทำให้เข้าใจง่ายที่เรามักใช้ในการวิเคราะห์วงจรที่เรียกว่า "แบบจำลองส่วนประกอบแบบ lumped" แบบจำลองนี้ให้การประมาณค่าที่ดีสำหรับพฤติกรรมวงจรที่เกิดขึ้นจริงที่ DC และความถี่ต่ำซึ่งผลของการเหนี่ยวนำกาฝากความจุและความเร็วของแสงสามารถถูกละเว้นได้

อย่างไรก็ตามปัจจัยเหล่านี้มีความสำคัญที่ความถี่สูงและไม่สามารถเพิกเฉยได้อีกต่อไป วงจรที่มีขนาดไม่เป็นศูนย์ใด ๆ จะมีการเหนี่ยวนำและประจุไฟฟ้าและมีความสามารถในการแผ่รังสี (หรือรับ) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นี่คือเหตุผลที่วิทยุทำงานได้ทั้งหมด

เมื่อคุณเริ่มพิจารณาความสามารถในการกาฝากคุณจะพบว่าทุกอย่างเชื่อมต่อกับทุกอย่างอื่น ๆ (moreso กับวัตถุใกล้เคียง) และมีวงปิดที่คุณไม่คาดหวังว่าจะพบมัน

ตอบสนองต่อชื่อของคุณ:

ฉันรู้สึกบ้าที่จะถามว่ามีเพียงเส้นทางปิดเท่านั้นที่อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้?

โดยปกติแล้วกระแสน้ำวนจะเดินทางเป็นลูป อย่างไรก็ตามลูปไม่จำเป็นต้องทำจากตัวนำทั้งหมด (เช่นทองแดง) กระแสคือการไหลของประจุ ดังนั้นปรากฏการณ์ทางกายภาพทั้งหมดต่อไปนี้แสดงถึงปัจจุบัน:

• อิเล็กตรอนไหลในสายทองแดง
• ไอออน (ซึ่งมีประจุ) เคลื่อนย้ายระหว่างขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่ (หรือตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า)
• อิเล็กตรอนที่บินผ่านสุญญากาศ (เช่นวาล์ว thermionic, หลอดแคโทดเรย์)
• และสุดท้าย แต่ไม่ท้ายสุดแทนที่กระแส

คนสุดท้ายตอบคำถามที่ว่า "กระแสไฟฟ้าจะผ่านไดอิเล็กทริกของตัวเก็บประจุได้อย่างไร" สรุปอย่างรวดเร็วคือประจุที่สะสมอยู่บนแผ่นหนึ่งของตัวเก็บประจุของคุณจะผลักประจุลงบนอีกแผ่นหนึ่งออกไปและให้ภาพลวงตาว่าอิเล็กตรอนไหลผ่านอิเล็กทริกของแคปในขณะที่ในความเป็นจริงมันไม่ใช่ จานหนึ่งเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนในขณะที่อีกจานกำลังรับอิเล็กตรอน

... * ใช่แน่นอน! คุณสามารถมีกระแสน้ำที่ไม่เคลื่อนที่เป็นวงได้: เพียงแค่ยิงลำแสงอิเล็กตรอนเข้าสู่ห้วงอวกาศด้วยความเร็วที่เพียงพอในการหลบหนีระบบสุริยะ เห็นได้ชัดว่านี่ไม่สามารถใช้ได้กับการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในชีวิตประจำวัน

นอกจากนี้ยังมีข้อเสียเปรียบ: คุณมีอิเล็กตรอนเพียงจำนวนหนึ่งเท่านั้นที่จะยิง ... และยิ่งอิเล็กตรอน "ปืน" ของคุณยิงออกไปยิ่งมีประจุบวกมากเท่าไหร่มันก็ยิ่งมีประจุบวกมากขึ้นเท่านั้น

ในขณะที่วงจรปกติของคุณซึ่งเป็นวงวนจะนำอิเล็กตรอนเดียวกันกลับมาใช้ใหม่ (ถ้า DC) หรือแค่ดึงพวกมันไปรอบ ๆ (AC) และจะทำงานได้ตราบใดที่แบตเตอรี่ / โรงไฟฟ้า / เซลล์สุริยะมีพลังงานเหลืออยู่

กฎ # 1 ไม่มีสิ่งดังกล่าวเป็นวงจรเปิดคือยกเว้นภายใต้เงื่อนไข DC มั่นคงของรัฐ

ระหว่างทุกเส้นทุกส่วนและทุกอะตอมมีความจุความต้านทานและการเหนี่ยวนำกับสายอื่น ๆ ส่วนและอะตอม อาจใช้กล้องจุลทรรศน์เล็ก ๆ น้อย ๆ ก็เป็นได้นั่นเอง แม้ภายในลวดหรือบางส่วนนั้นเอง

อย่างไรก็ตามถ้าวงจรที่คุณกำลังทดสอบอยู่ในสถานะ DC คงที่ความจุและตัวเหนี่ยวนำไม่แสดงภาระความต้านทานเท่านั้นและนั่นสูงพอที่จะไม่สำคัญ เพื่อให้กระแสไหลใน "วงจร" นั้นจะต้องมีเส้นทางจากจุดเริ่มต้นไปยังจุดสิ้นสุด

กฎ # 2 ไม่มีสิ่งเช่นสภาพ DC DC ที่มั่นคง

เรากำลังว่ายน้ำในทะเลของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้วงจรไฟฟ้ากระแสตรงที่เสถียรจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุผล ยิ่งกว่านั้นทุกกระแสในวงจรของคุณกำลังสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวเองซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันและกับสนามแม่เหล็กภายนอก จะมีสิ่งที่เราเรียกว่า "เสียง" ในวงจรของคุณ

กฎ # 3: ยิ่งคุณปรับเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า / กระแสได้เร็วเท่าไรก็ยิ่งมีวงจรเส้นทางที่คุณต้องกังวลมากเท่านั้น

วงจรที่มองไม่เห็นเหล่านั้นเล็กน้อยที่ฉันพูดถึงในกฎข้อที่ 1 มีความต้านทานที่เปลี่ยนไปตามความถี่ที่คุณพยายามเพิ่มขึ้น ยิ่งเราไปสูงเท่าไหร่เรายิ่งต้องรับมือกับเอฟเฟกต์แปลก ๆ เช่นการสูญเสียสัญญาณการสะท้อนและการเปล่งเสียงรบกวนเพื่อตั้งชื่อ แต่เพียงไม่กี่อย่าง

โชคดี:

ส่วนใหญ่เราสามารถยกเลิกเอฟเฟกต์เหล่านี้ได้ส่วนใหญ่เพราะในความถี่ที่คุณใช้พวกมันจะสร้างความวุ่นวายเล็กน้อย

วงจร AC 60Hz ทำงานโดยทั่วไปเหมือนกับแผนภาพวงจรระบุว่าการเชื่อมต่อไม่ยาว เราสามารถสร้างประโยคที่ชัดเจนได้อย่างปลอดภัยว่าวงจรจะต้องสมบูรณ์เพื่อให้กระแสไหลเนื่องจากกระแสที่ไหลจริงนั้นไม่สามารถวัดได้เพียงพอที่จะสำคัญ

อย่างไรก็ตามหากคุณพยายามส่งสัญญาณ 100GHz รอบวงจรเดียวกันคุณจะพบว่าตัวเลขนั้นไม่มีความหมายอีกต่อไป

สำหรับลูปที่เสียหาย ... ดูกฎ # 1

คุณเป็นบ้าหรือไม่ที่จะตั้งคำถาม?

ไม่จริงค่อนข้างสนทนา เป็นการดีที่จะคิดให้ลึกและถามคำถามเช่นนั้น อย่างไรก็ตามคำตอบอาจทำให้คุณอยู่ที่นั่น

แนวคิดที่อาจช่วยคุณได้คือแนวคิดของสายส่ง สายส่งอุดมคติเป็นหนึ่งเดียวกับอิมพีแดนซ์ลักษณะและความล่าช้าคงที่ คิดว่าสายส่งเป็นร่องรอยบนแผงวงจร การหน่วงเวลาเกิดขึ้นเนื่องจากเมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้ที่ด้านใดด้านหนึ่งของบรรทัดจะมีการหน่วงเวลาก่อนที่จะสามารถตรวจพบได้ที่ปลายสาย หวังว่านี่จะสมเหตุสมผล สิ่งที่การติดตามทำจริงๆคืออนุญาตให้สนามไฟฟ้าเผยแพร่ลงบรรทัดไปยังโหลด ฟิลด์นี้สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงเท่านั้นไม่เร็วขึ้น ดังนั้นจึงมีระยะเวลาหนึ่งเมื่อใช้ฟิลด์นี้ แต่การโหลดยังไม่รู้สึก อืมม

ดังนั้นอิมพีแดนซ์ของลักษณะคืออะไร? เราเรียกมันว่า Z เมื่อแรงดันไฟฟ้า (V) ถูกนำไปใช้กับอินพุตของสายส่งกระแสไฟฟ้าที่ไหลนั้นเป็นฟังก์ชันของ Z อย่างเคร่งครัดไม่สำคัญว่าอะไรจะอยู่ปลายอีกด้านของเส้น อาจเป็นวงจรเปิดหรือลัดวงจรหรือตัวเหนี่ยวนำหรือตัวเก็บประจุ สมมติว่ามันเป็นวงจรเปิด กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าสู่สายส่งจะเป็น V / Z จนกระทั่งสนามไฟฟ้าแพร่กระจายไปจนถึงจุดสิ้นสุดของเส้นสะท้อนและกลับมาที่แหล่งกำเนิด ในทางกลับกันสนามไฟฟ้ากำลังทำการสอบสวนเส้นและโหลดและเมื่อถึงจุดสิ้นสุดการสะท้อนกลับมาซึ่งนำข้อมูลเกี่ยวกับการโหลดกลับไปยังแหล่งกำเนิด การสะท้อนกลับมาจากจุดสิ้นสุดของบรรทัดอาจสะท้อนอีกครั้งเมื่อไปถึงแหล่งที่มา

ดังนั้นคุณมีสิทธิ์ที่จะคิดว่ากระแสสามารถไหลเข้าสู่ "วงจรเปิด" แน่นอนว่าเมื่อเกิดเหตุการณ์นี้ขึ้นหรือเมื่อมีความสำคัญหมายความว่าคุณต้องปรับปรุงแบบจำลองวงจรของคุณเพื่ออธิบายถึงสายส่งหรือความสามารถของกาฝากหรืออะไรก็ตาม ทฤษฎีสายส่งให้วิธีการทำเช่นนี้

กรณีพิเศษของสายส่งคือเมื่อโหลดที่จุดสิ้นสุดเท่ากับความต้านทานลักษณะเฉพาะของสาย นี่อาจเป็นกรณีที่รอย PCB มีตัวต้านทานเชื่อมต่ออยู่ที่ส่วนท้ายและตัวต้านทานอีกตัวจะไปที่ GND เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นถ้าค่าตัวต้านทานเท่ากับ Z จริง ๆ แล้วไม่มีการสะท้อนกลับ ดังนั้นกระแสที่ไหลเข้าสู่เส้นคือ I = V / Z เนื่องจากไม่มีการสะท้อนกลับมากระแสจึงยังคงเป็น V / Z ตอนนี้ให้เราพิจารณาการสะท้อนกลับ

เมื่อจุดสิ้นสุดของบรรทัดไม่สิ้นสุดใน Z จะมีการสะท้อนบางอย่าง การสะท้อนนั้นจะทำงานในลักษณะเดียวกับที่สนามไฟฟ้าดั้งเดิมเคลื่อนที่ไปตามเส้นยกเว้นว่ามันกลับมาที่แหล่งกำเนิด หากแหล่งกำเนิดนั้นสิ้นสุดลงด้วยค่าความต้านทานของค่า Z การสะท้อนกลับจะถูกดูดกลืนไปที่แหล่งกำเนิดอย่างสมบูรณ์ กล่าวอีกนัยหนึ่งถ้าอิมพีแดนซ์ต้นทางเป็น Z การสะท้อนกลับจากโหลดจะถูกดูดซับอย่างเต็มที่เช่นเดียวกับที่ถ้าโหลดคือ Z จะไม่มีการสะท้อนกลับไปยังแหล่งกำเนิด

แต่ถ้าไม่มีการโหลดหรือแหล่งที่มาถูกยกเลิกใน Z จากนั้นการสะท้อนกลับในทางทฤษฎีจะดำเนินต่อไปตลอดกาลโดยการตีกลับไปมา แน่นอนในโลกแห่งความจริงภาพสะท้อนจะตายไปเนื่องจากการสูญเสียพลังงานบางชนิด หากไม่มีสิ่งอื่นความต้านทานที่ไม่เป็นศูนย์ของลวดทองแดงจะทำให้เกิดการสูญเสีย

ฉันหวังว่าคุณจะสามารถได้รับสิ่งนี้ เอฟเฟกต์ของสายส่งนั้นอาจดูดกลืนได้ยากในตอนแรกโดยเฉพาะถ้าคุณไม่มีข้อมูลพื้นหลังอื่น ๆ ดังนั้นฉันจึงพยายามอธิบายในวิธีที่ค่อนข้างง่ายซึ่งฉันหวังว่าจะช่วยคุณได้

เสาอากาศเป็น "วงจรเปิด" ถ้าคุณดูอย่างใกล้ชิด เมื่อพูดถึงกระแสสลับโดยเฉพาะความถี่วิทยุ AC ตัวนำไม่ได้เป็นองค์ประกอบในอุดมคติ แต่มีปฏิกิริยากับสภาพแวดล้อม หากคุณกำลังพูดถึงการสะท้อนคุณกำลังพูดถึงคุณสมบัติของตัวนำที่ไม่สอดคล้องกับคุณสมบัติของการเชื่อมต่อตรงไปตรงมาในแผนภาพวงจร

มีวงจรจริงที่สร้างขึ้นโดยใช้การจัดการตัวนำชนิด etch-a-sketch บน PCB วงจรไมโครเวฟและตัวกรองจำนวนมากไม่ได้มีมากกว่าการจัดเรียงของตัวนำที่เกี่ยวข้องกับพื้นที่ว่างในระหว่างนั้นจริง ๆ แล้วสอดคล้องกับองค์ประกอบที่ซับซ้อนของ inductivities และความสามารถ

เมื่อดูที่ความถี่ต่ำกว่ามากรวมทั้ง DC วงจรไมโครเวฟทั้งหมดอาจเป็นตัวนำเพียงหนึ่งหรือสองตัวเช่นเดียวกับเสาอากาศที่ดูที่ความถี่ต่ำกว่าความถี่ในการทำงานเพียงแค่เป็นการเชื่อมต่อแบบเปิด

เส้นทางที่ซ่อนอยู่ / เหล่ากาฝากเหล่านี้อยู่ที่ไหนกัน?

พิจารณาการมีเพศสัมพันธ์จากคุณไปยังคอนกรีตใต้พื้น: ระยะ 1 ซม. พื้นที่ 0.1 เมตร x 0.3 เมตรค่าคงที่ไดอิเล็กทริก --- ใช้อากาศ (1.000002 หรือปิด)

ดังนั้น? ตอนนี้แตะที่หม้อแปลงสัญญาณนีออน 50,000 โวลต์ที่ 60Hz (377 เรเดียน / วินาที) dV / dT = 50,000 (สันนิษฐานว่าสูงสุด) * d (sin (60Hz) / dT) = 50,000 * 377 ~~~ 20 ล้านโวลต์ต่อวินาที

ปัจจุบันคุณเป็นอย่างไร I = C * dV / dt = 36 e-12 * 20e + 6 = 700 microAmps

คุณต้องการหลีกเลี่ยงสิ่งนั้น แม้ว่าจะไม่มีวงจรปิดที่เห็นได้ชัด

อิเล็กตรอนลอยไปในทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสการไหลอย่างเคร่งครัด เพื่อให้กระแสไหล (และพลังงานที่จะเคลื่อนที่) คุณต้องมีความต่างศักย์ (แรงดันไฟฟ้า) ในจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด โปรดทราบว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ภายในอะตอมในวงโคจรของวงโคจร แต่ไม่มีใครรู้วิธี บางทีพวกเขาไปเป็นวงกลม

มันก็ไม่เป็นความจริง แต่ก็เหมือนกับกฎหลายข้อซึ่งเป็นการประมาณที่ดีและมีประโยชน์เมื่อนำไปใช้กับสถานการณ์ที่เหมาะสม (วงจร DC, วงจรไฟฟ้ากระแสสลับความถี่ต่ำ AC ความถี่ที่เราให้ความสนใจในการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าเป็นหลัก)

อิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่เสมอยกเว้นที่ศูนย์สัมบูรณ์ (ซึ่งคุณไม่สามารถเข้าถึงได้) เพิ่มอัตราขยายของเครื่องขยายเสียงใด ๆ ให้สูงพอและแม้ว่าจะมีการป้อนข้อมูลอย่างระมัดระวังจากอิทธิพลภายนอกเสียงฟู่ (เสียง) หรือสัญญาณสุ่มอื่น ๆ ก็จะปรากฏอย่างชัดเจน นี่คืออิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ในวงจรอินพุตภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิแวดล้อม

การจัดเก็บค่าใช้จ่ายในตัวเก็บประจุเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตตที่ทันสมัย สถานะลอจิกเป็นแพ็คเก็ตของอิเล็กตรอนที่ติดอยู่ ในอุปกรณ์หน่วยความจำแฟลชแรงดันสูงจะขับอิเล็กตรอนผ่านสิ่งกีดขวางที่เป็นฉนวนลงบนแผ่นฉนวนและประตูเกทของทรานซิสเตอร์แบบเอฟเฟกต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงถูกลบออกอิเล็กตรอนจะถูกเก็บไว้เป็นเวลาหลายปี (หรือนานกว่านั้น) และสามารถระบุว่ามีหรือไม่มีอิเล็กตรอนหรือไม่ เป็นเรื่องปกติที่จะวัดปริมาณอิเล็กตรอน (ซึ่งกำหนดแรงดันไฟฟ้าที่เกตและด้วยเหตุนี้ระดับเอาต์พุตของทรานซิสเตอร์) และวัดปริมาณเป็นหนึ่งในแปดระดับดังนั้นจึงจัดเก็บสามบิตเป็นหนึ่งในแปดของปริมาณอิเล็กตรอนภายในทรานซิสเตอร์เดียว

ในที่สุดวงจรก็จะถูกปิดเมื่ออิเล็กตรอนเหล่านี้รั่วไหลออกมาเนื่องจากเสียงรบกวนจากความร้อนและควอนตัม "อุโมงค์" ดังที่ได้กล่าวมาแล้วสิ่งนี้ใช้เวลาหลายปีกว่าจะเกิดขึ้นเว้นแต่เซลล์จะถูกเขียนใหม่โดยการใช้แรงดันสูงอีกครั้ง