Ein paar grundlegende Fragen zu einfachen elektrischen Schaltungen

Für den Anfang, Entschuldigung für mein Englisch und für den langen Beitrag. Aber vielleicht wäre es für andere Neulinge nützlich. Ich versuche, grundlegende Dinge über elektrische Schaltungen selbst zu verstehen, und im Moment bin ich verwirrt, also muss ich um Hilfe bitten.

Zuerst möchte ich beschreiben, wie ich Prozesse in Gleichstromkreisen verstehe, und dann Fragen zu Wechselstrom stellen, die Verwirrung stiften.

Wir haben also eine einfache Schaltung, die aus Batterie, Schalter, ein paar Drähten und Widerstand besteht.

Wenn der Schalter geschlossen ist, beginnt die Einschwingphase, der Strom beginnt in beiden Drähten gleichzeitig zu fließen:

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Zuerst dachte ich, der Strom sei "normaler" Strom, den wir mit einem Amperemeter messen, stellte dann aber fest, dass dies stattdessen "Ladestrom" ist. Denn um an einer Stelle Potenzial zu „erzeugen“, müssen wir Ladung an der Stelle bewegen (dh wir brauchen einen Strom). Und die Ladungsmenge, die benötigt wird, um eine bestimmte Spannung zu erzeugen, hängt von der Kapazität ab. Dieser kleine Strom ist also kein "Hauptstrom" und wird nur benötigt, um Oberflächenladungen auf Drähten zu erzeugen, dh Spannung.

Schließlich wird in wenigen Nanosekunden, vielleicht nach einigen Reflexionen, ein stationärer Zustand hergestellt. Kein Ladestrom mehr. Nun erzeugen diese Oberflächenladungen ein elektrisches Feld nicht nur zwischen Drähten, sondern auch innerhalb der Drähte und des Widerstands. Und dieses innere elektrische Feld bewirkt, dass sich Elektronen bewegen, also haben wir einen "Hauptstrom", der dem Ohmschen Gesetz gehorcht:

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Das Bild aus Matter and Interactions von Ruth W. Chabay, Bruce A. Sherwood.

Oder Sie können über Oberflächenladungen im Artikel von JD Jackson "Oberflächenladungen auf Schaltungsdrähten und Widerständen spielen drei Rollen" lesen.

Wenn jetzt die Batterie durch eine Wechselspannungsquelle ersetzt wird, werde ich verwirrt. Daher gibt es grob gesagt 2 Arten von Strömen - Laden / Entladen und "Haupt" -Strom.

Leider kann ich nirgendwo eine so detaillierte Beschreibung für AC finden, daher habe ich ein paar Fragen.

Frage 1:

Erstens, ist meine Beschreibung von DC richtig? Denn wenn mein Verständnis falsch ist, hat es keinen Sinn, weiter zu gehen.

Frage 2:

Wenn ich mir AC jetzt so vorstelle:

Im offenen Stromkreis gibt es nur konstante Lade- / Entladeströme und "Main" fehlt.

Wenn eine Last angeschlossen ist, gibt es konstante Lade- / Entladeströme UND damit einen "Hauptstrom". Das heißt, eine konstante Umverteilung der Oberflächenladungen aufgrund von Ladeströmen würde ein ständig zunehmendes, abnehmendes und umkehrendes elektrisches Feld in Drähten und Widerständen erzeugen. Als Ergebnis erhalten wir wiederum aufgrund dieses inneren elektrischen Feldes "Hauptstrom". Aber da sich das Feld jetzt ständig ändert, schwappen Elektronen nur hin und her.

Ich gehe davon aus, dass dies eine zu stark vereinfachte Ansicht ist, da in diesem Fall Änderungen des "Hauptstroms" immer nach der Ladungsumverteilung im Stromkreis auftreten.

Wie auch immer, ist das eine falsche oder akzeptable Beschreibung?

Oder es wäre nur für niedrige Frequenzen geeignet (denn wenn die Frequenz wirklich hoch ist und das Drahtpotential entlang davon unterschiedlich ist, kann ich mir das Bild nicht einmal vorstellen, totales Durcheinander).

Frage 3:

Werden diese konstanten Lade-/Entladeströme generell in der Schaltungstheorie der Einfachheit halber vernachlässigt, obwohl sie tatsächlich immer vorhanden sind?

Ich meine, wenn ich Strom in einem Wechselstromkreis messe oder mir zum Beispiel einen Graphen eines Wechselstrom-RC-Schaltkreises ansehe, in dem die Stromkurve die Spannung um 90 Grad führt, bezieht sie sich immer auf den "Hauptstrom" und nicht auf diese Lade- / Entladeströme?

Frage 4:

Fließen diese Lade- / Entladeströme auf der Oberfläche von Leitern (da sie Oberflächenladung erzeugen)?

Danke für jede Hilfe.

Nein, wir brauchen keinen Stromfluss , um eine Potentialdifferenz zu haben. Die Elektronen fließen tatsächlich sehr langsam durch einen Stromkreis; es wäre besser, an Energie zu denken , die fast mit Lichtgeschwindigkeit durch einen Stromkreis fließt. Und es gibt nicht zwei Arten von Strom. Verzeihung.
Da I ​​(t) = dQ / dt ist, verstehen Sie einfach, dass der Strom die Laderate ist. Wenn Sie dann die genaue Impedanz aus den Werten der R-, L-, C-Schaltung oder der Übertragungsleitung kennen, können Sie eine bestimmte Lastimpedanz bei Gleichstrom oder einer beliebigen Frequenz erwarten, bei der diese Werte normalerweise konstant sind. Daraus folgt V(t)/I(t) = Z(t). Sie können t auch durch die Frequenz f ersetzen. Z(t) für reaktive Teile hat einen exponentiellen Verlauf und für R einen linearen festen Wert. Z(f) hat eine ansteigende Flanke für L mit f mit einer negativen Flanke für C-Last.
AC ändert nur ständig DC.
@ElliotAlderson nicht korrekt: An die Stromversorgung angeschlossene Isolatoren zeigen keine Potentialdifferenz an wie Leiter (Nullstrom, Null Oberflächenladung). Kurze "kapazitive" Ströme sind sicherlich erforderlich, bevor sich Potentiale aufbauen. (kurz: Nanosekunden-Skala.) Alle Schaltungen bestehen aus kleinen parasitären Kondensatoren ~pF und darunter, die aufgeladen werden, wenn die Versorgung angeschlossen wird.
@Steve T. "Lade" -Signale sehen die Leitungsimpedanz von Leitern. Das bestimmt den Strom: Wenn wir ein 75-Ohm-Koaxialkabel laden, sieht es kurz aus wie ein 75-Ohm-Widerstand und würde mit einer 12-V-Versorgung 160 mA ziehen. Aber Leitungsreflexionen sind dann immens, und sie prallen durch verlustbehaftete Komponenten, um das Verhalten der meisten Schaltungen hinterhältig zu verkomplizieren. Hier ist ein zentrales Thema: Wenn Sie in eine Badewanne (oder einen See) steigen, steigt die Wasseroberfläche sofort und überall gleichzeitig an. Aber schauen Sie genau hin und Sie werden eine schnelle Welle finden, die sich mit weit über 3000 MPH ausbreitet. Potentiale in Netzwerken verhalten sich so: große Sprünge aus winzigen Strömen.
@wbeaty Nein, du hast meine Aussage falsch gelesen. Ich sagte, wir brauchen keinen Strom, um zu fließen , um eine Spannungsdifferenz zu haben. Nehmen Sie eine Batterie aus Ihrer Teilekiste ... es gibt eine Potentialdifferenz zwischen den Klemmen, unabhängig davon, ob Strom fließt oder nicht, ob Sie das Potential messen oder nicht. Ich spreche von der Definition des elektrischen Potentials, nicht von Ihren üblichen Beobachtungen darüber.
@wbeaty Die Wasseranalogie ist auch irreführend, weil ein Leiter mit einem höheren elektrischen Potential nicht mehr Ladung enthält als der steigende Wasserstand in einer Wanne. Analogien wie diese neigen dazu, die Schüler zu verwirren, weil sie das Wichtige aus den Augen verlieren, nämlich die Übertragung von Energie und nicht von Materie.
@ElliotAlderson "Elektrizitätsgeschwindigkeit" hängt stark von der Dielektrizitätskonstante dessen ab, was den Leiter umgibt. Wenn Sie Kupfer freigelegt haben, das in der Luft hängt, ist es praktisch c. Wenn es eine Gummiisolierung hat, sehen Sie etwa 55 % c. Auf PCB ist die Situation komplizierter, aber normalerweise liegt das Endergebnis zwischen 0,5 und 0,7 c. Dies spielt tatsächlich eine Rolle für Hochgeschwindigkeits- und/oder Fernübertragungsleitungen. Für die meisten Zwecke macht dies Ihr Leben schwieriger, da die Wellenlängen kleiner werden.
@Barleyman Ich habe nichts über die "Geschwindigkeit der Elektrizität" gesagt ... dieser Satz hat in der Technik keine große Bedeutung. Ich sagte, dass sich die Elektronen langsam bewegen und Energie sich schnell bewegt. Ja, die Ausbreitung der Welle hängt von der Dielektrizitätskonstante ab, aber diese ist immer noch um viele Größenordnungen schneller als die Elektronenbewegung.
@ElliotAlderson Sie sagten, Energie fließt fast mit Lichtgeschwindigkeit. 50-ish ist kein unbedeutender Unterschied, wenn es um Wellenlänge geht. Beachten Sie in jedem Fall die Anführungszeichen. Es ist etwas, was man Nicht-EE sagen könnte, es ist eigentlich keine ungewöhnliche Frage. Wellenfronten, Ausbreitungsgeschwindigkeiten, Impedanzunterbrechungen und dergleichen sind Fachgespräche. Um nur jemandem klarzumachen, dass die Ausbreitungszeit für ein Signal nicht nichts ist und scheinbar triviale Fehlanpassungen der Leiterbahnlänge Ihren Datenbus ruinieren können, bedarf es eines gewissen technischen Hintergrunds.
@ElliotAlderson nicht korrekt: OP fragt nach Schaltkreisen: Daher benötigen wir in einem Netzwerk von Leitern sicherlich kurze "Ladeströme", damit an Knoten Potentialunterschiede auftreten. Netzwerke sind Sätze von parasitären Kapazitäten. Ohne kurzzeitige Ströme wären alle Spannungen gleich Null. Ihr Batteriebeispiel ist irreführend: Tatsächlich fließt beim ersten Zusammenbau der Zelle kurzzeitig Strom, sonst liegt an den Batteriepolen keine Spannung an. (Eine Batterie ist eine Ladungspumpe: Die "Pumpe" läuft nur lange genug, um die beiden Halbzellenpotentiale zu erzeugen. Es ist der "Ladestrom" des OP.)
@wbeaty Ich habe nicht gesagt, dass eine Spannung ohne Stromfluss auftreten kann, ich habe gesagt, dass eine Spannung ohne Stromfluss existieren kann.

Antworten (2)

Ich kann sehen, dass dies wie die drei blinden Männer sein wird, die einen Elefanten beschreiben – jede Antwort wird ein bestimmtes Detail betonen, und es wird schwierig sein, ein gutes Verständnis der zugrunde liegenden Prinzipien zu bekommen. Aber hier geht ...

Ja, Ihr Verständnis der physikalischen Details auf niedriger Ebene dessen, was in einem Gleichstromkreis passiert, ist richtig, aber das ist viel zu detailliert für die alltägliche Schaltungsanalyse.

Stattdessen führen wir im Allgemeinen eine vereinfachte Analyse mit konzentrierten Schaltungselementen durch und ignorieren die Effekte, die mit dem Laden und Entladen von Schaltungsknoten verbunden sind. Dies ist die Grundlage der Spannungs- und Stromgesetze von Kirchhoff.

Bei der AC-Analyse geht es einfach darum, den Wert der Spannungs- (oder Strom-) Quelle(n) mit der Zeit variieren zu lassen. Dabei werden die Verdrahtungseffekte immer noch ignoriert, aber jetzt müssen Sie die reaktiven Eigenschaften der tatsächlichen Kondensatoren und Induktivitäten in der Schaltung berücksichtigen.

Entschuldigung, das habe ich nicht ganz verstanden. Bedeutet Ihre Antwort, dass ich, wenn ich über das Verhalten eines Stroms im Stromkreis lese oder ihn messe, sicher sein kann, dass dieser Strom immer "Hauptstrom" in Drähten / Lasten bedeutet und keine Lade- / Entladeströme?
Nun, nein. Alle tatsächlichen Messungen umfassen beides, aber der "Lade-/Entladestrom" (wir nennen diese "Übertragungsleitungseffekte") ist relativ zum "Hauptstrom" außer in bestimmten Sonderfällen unbedeutend.
Sollte ich dann an einen Strom an einer Stelle denken, wie an den gesamten Ladungsfluss an der Stelle, wobei ein Teil davon für das Laden / Entladen "verbraucht" wird? In Schaltungen ist dieser Anteil unbedeutend, aber für Übertragungsleitungen kann er ziemlich groß sein.

Erstens, ist meine Beschreibung von DC richtig? Denn wenn mein Verständnis falsch ist, hat es keinen Sinn, weiter zu gehen.

Technisch gesehen sind beide Wechselstromkreise, es gibt keinen Dauerstrom, der sie zu Wechselstrom machen würde. DC ist 0 Hz, AC ist alles andere (oder mehr mit Sinuswellen verbunden, muss aber nicht sein).

Wenn eine Last angeschlossen ist, gibt es konstante Lade- / Entladeströme UND damit einen "Hauptstrom". Das heißt, eine konstante Umverteilung der Oberflächenladungen aufgrund von Ladeströmen würde ein ständig zunehmendes, abnehmendes und umkehrendes elektrisches Feld in Drähten und Widerständen erzeugen. Als Ergebnis erhalten wir wiederum aufgrund dieses inneren elektrischen Feldes "Hauptstrom". Aber da sich das Feld jetzt ständig ändert, schwappen Elektronen nur hin und her.

Wie auch immer, ist das eine falsche oder akzeptable Beschreibung?

Hier werden Sie verwirrt: Der Träger in einem Wechselstromkreis ist nicht das Elektron, sondern das elektrische Feld auf der Innenseite (Oberflächenströme) und außerhalb des Drahtes. Hier wird der Großteil der Energie übertragen, der Draht wirkt wie ein Wellenleiter. Wenn Sie die gesamte Energie, die von Elektronen getragen wird, in das elektrische Feld an der Außenseite des Kabels integrieren, wird nur sehr wenig davon von den Elektronen selbst übertragen. Elektronen werden nicht benötigt, um elektromagnetische Energie zu transportieren, oder Radios würden nicht funktionieren, der Träger ist das Photon.

Der Grund dafür ist die Induktivität des Drahtes selbst, bei höheren Frequenzen bevorzugen sie eine niedrigere Impedanz der Außenseite des Drahtes. Dies wird als Skin-Effekt bezeichnet

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Quelle: https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-3/more-on-the-skin-effect/

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