Analyse des Stromflusses am Rand eines Bauteils

Für eines meiner Projekte habe ich die folgende Komponente entwickelt, um Lasten/Schaltkreise mit Strom zu versorgen:

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Abb.1

Die Komponente in (Abb. 1) bricht in 3 Teile (a, b, c), meine anfängliche Analyse des Stromflusses wird im Diagramm als (I ) angezeigt , aber meine Sorge gilt dem Stromfluss von Komponente a zu b .

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Abb.2

Wie fließt der Strom in dieser Region? Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Abb. 3

Ich habe versucht, 3 mögliche Stromrichtungen an dieser Kante aufzuschlüsseln. Welche würde den Stromfluss am genauesten beschreiben?

Der Grund, warum ich dieses Segment analysiere, liegt in dem möglichen Magnetfeld, das mit dieser Komponente verbunden ist.

Was für mich sinnvoll ist, ist ein Magnetfeld, das sich buchstäblich um das Bauteil legt, ein Feld, das durch den Teilstrom (1) in Abb. 3 erzeugt wird, erscheint jedoch unwahrscheinlich.

Aktualisieren:

  • FEA-Simulation über ANSYS Maxwell:

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Abb.4

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Abb.5

Die Leitungsbandladungen haben eine nahezu vollständig gleichmäßige Verteilung in der Metallform. Es wird einen leichten Überschuss an der Oberfläche geben, aber ansonsten eine nahezu gleichmäßige Verteilung überall. Bis in die Ecken. Eine sehr, sehr kleine Anzahl von Ladungen wird an einigen Ecken "kleben", um die Ladungen um die Kurven herum zu beschleunigen. Wie negative Schwerkraft sozusagen. (Ladungen drehen sich nicht ohne Grund.) Plus der benötigte Ladungsgradient entlang seiner Länge. Können Sie jetzt die Implikationen für die Driftgeschwindigkeit in Anbetracht der Form ausarbeiten? Was passiert, wenn der Strom stark ansteigt?
Ich werde es versuchen. Eine gleichmäßige Verteilung habe ich auch absichtlich angenommen. Beachten Sie jedoch meinen Verwirrungspunkt: Die treibende Kraft für die Ladungen ist senkrecht zum Teilstrom (1) in Abb. 3, wie kann Strom in diesen Bereich getrieben werden? kein Vortrieb in die Kurven? Vielleicht ist das meine Einschränkung beim Verständnis des Stromflusses.
Es gibt einen sehr geringen Ladungsgradienten entlang der Länge, um auch die Ladungen zu beschleunigen. Sie können dies tatsächlich erkennen, wenn Sie eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung und ein langes Kabel einrichten. Verwenden Sie einen Markball. In der Mitte tut die Markkugel nichts. Aber an jedem Ende wird es angezogen und dann sofort abgestoßen, da es einige dieser Ladungen ansammelt (die natürlich sofort ersetzt werden).
Ich denke, dass bei der Interpretation Ihrer Frage nach dem Maßstab Ihrer Geometrie ein großes Missverständnis vorliegt. Welche Größenordnung haben die beteiligten Variablen: nm,um,mm,meter ? Zu den Strömen: fA,uA,mA,A,kA ? Interessieren Sie sich für Lärm unter nA? Ich persönlich denke, dass Sie sich mit Elektrotechnik beschäftigen.
Andre, die Größe sollte der Standard sein, A und m. Welche Geräusche?
Aktualisierte die Frage mit Simulationsergebnissen für Interessierte.

Antworten (1)

So etwas löst man mit der Finite-Elemente-Analyse.

Grundsätzlich modellieren Sie den interessierenden Bereich als Netz aus vielen kleinen Teilen. Dann folgt jedes kleine Teil den Gesetzen der Physik, aber Sie können vereinfachende Annahmen treffen, wie dass der Strom über das kleine Volumen gleichmäßig ist. Nachdem Sie genügend Entspannungsiterationen durchlaufen haben, bekommen Sie den Strom in und aus den Flächen jedes kleinen Elements. Daraus ergibt sich der Makrostrom.

Es gibt viele Details zur korrekten und effizienten Durchführung der Finite-Elemente-Analyse, aber das sind die Grundprinzipien. Sicherlich gibt es bereits Software, die das meiste für Sie erledigt.

Ja, ich kann dafür Ansys verwenden.
Das Problem bei der FEM ist hier, dass die Ladungen in einem Leiter sehr weitreichende Wirkungen haben. FEM eignet sich hervorragend für Statik und Wärmefluss und dergleichen, bei denen das gesamte System allein durch die Verwendung fein gewonnener Lokalität gelöst werden kann. Aber die Realität hier erfordert auch Effekte, die weit über eine nahe Zelle hinausgehen. Ich wäre gespannt, wie man das in FEM richtig einrichtet. (Ich vermute, es kann sein, aber es scheint nicht trivial zu sein.)
@jonk: Nein, Ladungen haben in einem normalen Leiter (kein Halbleiter) keine Fernwirkung. Strom ein gleich Strom aus. Es entstehen keine Gebühren. Sie modellieren im Grunde nur Spannung, Widerstand und Strom. Die Lösung sollte dieselbe sein wie für den Wärmefluss, vorausgesetzt, die Außenseite des Leiters ist perfekt isoliert.
Es ist genau das gleiche Problem wie bei einer thermischen Analyse. Die Gleichungen sind die gleichen.
Kann nicht zustimmen. Wenn die Effekte lokal wären, hätten wir Rauschen in Drähten aufgenommen. Wir nicht. Siehe The Art of Electronics, 2. Auflage, 1989, für eine Diskussion zu diesem Punkt.
Auch Matter & Interactions, 3. Ausgabe, behandelt einige Details über die Langstreckeneffekte von nur wenigen Ladungen in Kurven über viele Ampere Strom um eine Kurve. Das sind Fernwirkungen. Jede angewendete Methode muss Oberflächenladungen, Gradienten und Verteilungen auf der gesamten Oberfläche korrekt berechnen. Ich vermute, dass dies mit FEM möglich ist. Nur nicht so, wie du vorschlägst. Ich interessiere mich sehr für das detaillierte Setup, das erforderlich ist, damit es quantitativ die richtigen Ergebnisse liefert.
@Jonk Welches Kapitel oder welche Seite von "Die Kunst der Elektronik"? Danke.
@andre Schreibe jetzt vom Telefon. Wenn ich kann, werde ich bessere Referenzen liefern. Ich sollte in der Lage sein, die Seiten zu finden, wenn ich zurückkomme. Der Grund, warum ich mich an sie erinnere, ist, dass sie physikalisch Sinn machten und feststeckten. Alle Physik ist lokal, außer auf der Quantenebene, also sollte FEM funktionieren. Das Problem liegt meiner Meinung nach in der Auswahl der richtigen Ansicht für die Anwendung. Deshalb sind die Dinge für mich neugierig. Und nichts davon widerspricht dem Fehlen von Schrotrauschen in Drähten, das auf Fernwirkungen in Drähten zurückzuführen ist. Ich denke, das OP stellt eine interessante Frage, die ich selbst verstehen und vorhersagen möchte.
@ jonk Bitte verfolgen Sie dies. Ich muss die Konzepte auch besser verstehen. Danke schön.
@andre Siehe Seite 432, 2. Auflage, „The Art of Electronics“, untere Hälfte der linken Spalte. Tut mir leid, dass es so lange gedauert hat. Aber... es braucht Zeit, sich an etwas zu erinnern, das man vor langer Zeit gelesen hat.
@analogsystemsrf Ich habe jetzt eine Notiz für Andre hinzugefügt. Ich denke auch, dass es aufschlussreich wäre, die Kapitel 17ff in Matter & Interactions, 3rd Edition, zu lesen. Man könnte mit dem Abschnitt auf Seite 685 beginnen, um den Appetit auf das Thema anzuregen, aber nicht als Antwort auf die Frage. Ich wünschte jedoch, ich könnte den Text hier als Fortsetzung zitieren. Aber es ist lang, braucht Bilder und mehr. Ich muss mir also einfach wünschen, dass es einen Ort gibt, an dem diese Themen zufriedenstellend mit Zeichenwerkzeugen und dergleichen diskutiert werden können. Nun ja.
Für diejenigen, die immer noch interessiert sind, ich habe die Ergebnisse simuliert und meine Frage aktualisiert, um sie zu enthalten. Ich denke, meine anfängliche Annahme war einigermaßen richtig, dass $\i_1\$ den geringsten Stromfluss haben würde.
@jonk Ich habe (The Art of Electronics) auf einer anderen Registerkarte. Könnten Sie bitte auf das Kapitel / die Seiten in Bezug auf die Diskussion verweisen?
Analyse des Stromflusses am Rand eines Bauteils
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