In welche Richtung fließen elektrische Signale?

Wenn elektrische Signale die Ausbreitung von EM-Wellen in der Nähe von c sind, in welche Richtung bewegen sich diese Wellen? In die konventionelle Richtung? In Richtung des Elektronenflusses? In beide Richtungen?

„Beide“ Richtungen, sowie eine omnidirektionale Komponente.

Das beste Beispiel könnte ein Ethernet-Kabel sein. Ein Bit wird als Impuls dargestellt. Um diesen Impuls zu übertragen, setzt der Treiberchip einen Ausgang kurz auf Low und einen anderen auf High. Wenn es sie so belassen würde, würde eine herkömmliche Schaltung gebildet, bei der Strom in einer Schleife zwischen ihnen durch den Abschlusswiderstand am anderen Ende fließt. Dies tut es jedoch nicht, es bewegt die Treiber schnell (sagen wir eine Nanosekunde) zurück auf gleiche Spannungen.

Dies startet eine ansteigende Flanke auf der positiven Sendeleitung und eine fallende Flanke auf der negativen Sendeleitung. Wenn Sie ein ausreichend schnelles Oszilloskop an das Kabel angeschlossen haben, erscheinen diese als Spannungen, aber in Wirklichkeit handelt es sich um einen kleinen EM-Impuls, der das Kabel entlang wandert.

Jeder Impuls strahlt auch eine EM-Welle außerhalb des Leiters aus. Da die Drähte in einem konstanten Abstand miteinander verdrillt sind, löscht die emittierte "positive" Welle die emittierte "negative" Welle fast vollständig aus. Andernfalls könnten Sie Ihr Radio aufgrund der EM-Störungen nicht im selben Raum verwenden.

Das Kabel kann als Kette winziger Induktoren entlang des Drahts modelliert werden, mit einer Leiter winziger Kondensatoren zwischen den beiden Leitern. Jeder Induktor speichert die Energie der eingehenden Stromänderung in einem Magnetfeld, bevor er sie entlang des Drahtes nach vorne abgibt.

Das allgemeine Objekt wird als "Übertragungsleitung" bezeichnet . Die effektive Geschwindigkeit liegt unter der Lichtgeschwindigkeit, aber nicht viel (siehe "Geschwindigkeitsfaktor").

Reise von Löchern, die der Lichtgeschwindigkeit nahe kommt

Es ist ein bisschen komplizierter als das. (Ich habe mir nicht die Mühe gemacht, das selbst vollständig zu verstehen!) Ich glaube jedoch, dass NPN-Transistoren (Lochmobilität in der P-Region) aus diesem Grund PNP-Transistoren (Elektronenmobilität in der N-Region) vorgezogen werden.

Eines Tages werde ich einen kanonischen Artikel darüber schreiben, warum Elektronen eine Ablenkung vom Lernen über Elektrizität sind. Elektrizität ist ziemlich unkompliziert und folgt einigen mathematischen Gesetzen, die mit einfachen Berechnungen analysiert werden können. Elektronen sind keine kleinen Pingpong-Bälle in einer Röhre, sie sind seltsame Quantenobjekte, die in der Lage sind, zu erscheinen, zu verschwinden, durch feste Objekte zu tunneln und viel schwieriger richtig zu modellieren sind.

Signale breiten sich wie Wellen in einem Teich in alle Richtungen aus, sie sind eine Störung in der Strömung, nicht unbedingt selbst eine Strömung.

Das Signal in einem Kabel wird von einer Funkwelle getragen, die sich im Raum um die Drähte ausbreitet. Parallele Drähte oder Twisted Pair haben diese Fähigkeit. Koaxialkabel haben es auch, aber die Welle ist auf die Isolationsschicht zwischen dem mittleren Draht und der Abschirmung beschränkt.

Die Welle tritt als elektrisches und magnetisches Feld auf, sie befindet sich nicht im Metall. Die Elektronen in Metallen ermöglichen nur, dass sich die Welle entlang des Kabels ausbreitet. Die Felder der Welle induzieren einen gewissen Strom an der Metalloberfläche, und wir können auch die Stärke des elektrischen Felds auf eine einzelne Zahl drücken, die Spannung, die natürlich von Ort und Zeit abhängt, wenn es Wellen gibt. Bei niedrigen Frequenzen können wir die Wellen praktisch vergessen und alle Berechnungen mit Spannungen und Strömen durchführen. Eine 60-Hz-Stromleitung muss mehr als 100 Meilen lang sein, bevor das Überspringen der Existenz einer Welle beginnt, erhebliche Fehler zu verursachen.

Eine gängige Praxis ist zu sagen, dass Drähte, die länger als 10 % der Wellenlänge sind, als Übertragungsleitungen betrachtet werden müssen, die Wellen führen. Wenn sie nicht als richtige Übertragungsleitungen ausgelegt wären, wäre das Ergebnis unvorhersehbar. Ich habe in meinen Experimenten herausgefunden, dass 1 % oder weniger der kürzesten Wellenlänge eine sicherere Grenze für Freiformverdrahtungen ist.

Die Welle geht von jeder Änderung des elektrischen oder magnetischen Feldes aus. Man kann zB. schalten Sie die Kabelenden auf eine Spannungsquelle (Line-Transmitter-ICs tun es) oder drehen Sie die Polarität. Die Welle breitet sich entlang des Kabels weiter von dem Punkt aus, an dem die Änderung initiiert wurde. Elektronen bewegen sich lokal als Feldstärke. Gleichzeitig kann der Strom an verschiedenen Stellen eines Drahtes durchaus in unterschiedliche Richtungen fließen. Das passiert nicht mit kontinuierlichem, unveränderlichem DC.

HINZUFÜGEN aufgrund der eingelegten Batterie + Schalter + 1 km Kabel + Led + Widerstand + 2 km Kabelbeispiel.

Die Geometrie der Drähte und wie sie über dem Boden platziert werden, beeinflussen radikal, wie das Signal die LED erreicht. Wenn Sie die Batterie und die LED vertauschen und erneut versuchen, würde kein Unterschied bestehen, die Polarität beeinflusst die Welle nicht. Dies ist keine Übertragungsleitung, wenn die Drähte nicht parallel sind. Es ist nicht möglich, das Gehäuse zu berechnen oder zu simulieren, ohne die genaue Geometrie zu kennen. Wenn die Drähte zu Spulen gewickelt sind, handelt es sich um Induktoren, was sicherlich einen Einfluss auf die Schaltung hat. In einem glücklichen Fall mit anderer Geometrie senden Sie eine messbare Radiowelle in den Weltraum, weil Sie eine funktionierende Antenne haben können.

Diese Antwort darauf, wie das elektrische Feld in einem Gleichstromkreis aufgebaut wird, kann Ihnen helfen, sich vorzustellen, was in den ersten Momenten in Ihrem vorgestellten Stromkreis passiert.
Wenn Sie den Schalter schließen, beginnt die Oberflächenladung, die sich am Anschluss des Schalters angesammelt hat, sich zu rekombinieren und neu zu verteilen, um das einheitliche elektrische Feld aufzubauen$E = j/\sigma$entlang der Leiterbahn geleitet.
Die Form der Schaltung und die Position des Schalters und der Last ändern also die Art und Weise, wie diese Umverteilung stattfindet, ungeachtet der Tatsache, dass das Ergebnis nach Erreichen des stationären Zustands dasselbe ist.
Eine breite Kreisleitung verhält sich anders als eine Schaltung, bei der die beiden Adern eng beieinander verlegt sind, und anders als eine Schaltung, bei der die beiden Adern verdrillt oder sogar ineinander gelegt sind (Koaxialkabel).

Wenn Sie wissen wollen, was passiert, müssen Sie die Maxwell-Gleichungen mit den richtigen Randbedingungen lösen, die von der Geometrie der Schaltung und der Position der Elemente abhängen.

Sie können auch versuchen, die Schaltung als Übertragungsleitung zu modellieren, indem Sie sie als eine Kette verteilter Elemente annähern, deren Kapazität und Induktivität von der Geometrie der Verbindungen und der Permeabilität des Raums zwischen ihnen abhängt. Die Kapazität pro Längeneinheit stellt die Art und Weise dar, wie die Ladung auf einer Seite der Drähte die Ladung auf der gegenüberliegenden Seite beeinflusst, während die Induktivität pro Längeneinheit die Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluss darstellt, der mit den Vorwärts- und Rückwärtsströmen verbunden ist (ganz grob gesagt; Sie können dies übersetzen wie stark die Leitung Spannungs- und Stromänderungen widersteht).
Beachten Sie, dass diese Art der Modellierung erfordert, dass Sie Ihre Schaltung in Stücke aufteilen, bei denen die Verbindung zwischen den Endpunkten gleichmäßig ist (gleichmäßiger Abstand der Streifenleitung, gleichmäßige Verdrillung des Kabels, gleichmäßiges Radienverhältnis in der Koaxialleitung).

Nach den Maxwellschen Gesetzen gibt es 2 Arten von elektrischen Signalen:

1 - Leitungsstromsignale

Die Energie des Signals ist proportional zur kinetischen Gesamtenergie aller Elektronen, die sich in einem Wirtsmaterial wie Kupfer oder Silizium bewegen.

2 - Verschiebungsstromsignale

Die Energie des Signals ist proportional zur gesamten elektrischen und magnetischen Energie (Poyinting-Vektor) der das Signal tragenden Funkwelle.

Beispiel 1 In Kupferspuren, die einen langsamen zeitveränderlichen Strom führen, haben wir hauptsächlich Leitungsstromsignale.

Beispiel 2 In einer Kupferspur, die einen schnellen zeitlich veränderlichen Strom führt, haben wir sowohl Leitungsstromsignale als auch Verschiebungsstromsignale. Dabei breiten sich die elektrischen und magnetischen Felder in der Leiterbahn, in der Leiterplatte und in der Umgebungsluft aus.

Beispiel 3 In der Luft können wir nur elektrische und magnetische Felder haben, die sich mit "Lichtgeschwindigkeit in der Luft" fortbewegen, was fast gleich der "Lichtgeschwindigkeit im Vakuum" namens c ist.

Ich dachte nur, ich würde einwerfen, dass die Durchschnittsgeschwindigkeit der Elektronen, die aufgrund des elektrischen Felds durch einen Kupferdraht fließen, nur etwa 1 Meile pro Stunde beträgt - aber sie schieben sich effektiv gegenseitig an.

Signale breiten sich im Vakuum natürlich nicht mit Lichtgeschwindigkeit (dh c = 300.000.000 m/s) aus. Wenn Sie an optische Fasern denken, bewegen sich die Lichtteilchen (Photonen) mit etwa 2/3 dieser Geschwindigkeit (aufgrund des Brechungsindex des Glases) - aber es ist tatsächlich etwas komplizierter, da es auch Wechselwirkungen zwischen ihnen gibt die Photonen in jedem Lichtimpuls. Ähnliche Effekte bei Elektronen, die sich entlang von Übertragungsleitungen bewegen.

Du hast gefragt:

In welche Richtung fließen elektrische Signale?

Was ich mit einer anderen Frage beantworten werde: Was ist ein "elektrisches Signal"?

Ist es ein einzelnes Elektron? Die Nettobewegung von Elektronen? Vielleicht keine Elektronen, sondern ein anderes geladenes Teilchen?

Oder ist es eine Welle im elektromagnetischen Feld?

Oder manchmal bedeutet "Signal" "die elektrische Potentialdifferenz (Spannung) zwischen diesen beiden Punkten". Wenn Sie sich fragen, wie hell eine LED ist, meinen Sie wahrscheinlich Signal in diesem Sinne. Aber ein Signal dieser Art kann nicht "fließen", da es per Definition zwischen zwei Punkten liegt.

Bevor Sie eine strenge Antwort haben können, müssen Sie eine strenge Frage stellen. "Elektrisches Signal" hat keine Bedeutung, es sei denn, Sie geben ihm eine.

Sie können feststellen, wie der Strom weiß, wie viel er fließen soll, bevor Sie den Widerstand gesehen haben? einsichtig zu sein.

Mein Verständnis ist, dass sich Signale entlang einer Übertragungsleitung nicht mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, sondern mit einem gewissen Prozentsatz von "c", abhängig von den Eigenschaften der Leitung. In der Vergangenheit mussten Sie bei der Verwendung eines Zeitbereichsreflektometers die "Ausbreitungsgeschwindigkeit" (VOP) berücksichtigen, wenn Sie eine genaue Ablesung der Entfernung wünschen, um einen Kurzschluss oder eine Unterbrechung zu sagen.