Pfad der EM-Wellenausbreitung in einem Schaltkreisdraht

(1) Wenn die Welle von der Spannungsquelle (Batterie) induziert wird und sich von ihr ausbreitet, sollte sie den Vektorpfad des von der Batterie erzeugten Magnetfelds anstelle des Schaltkreispfads nehmen.

Ja, und das Magnetfeld folgt dem Strompfad, bleibt aber außerhalb der Drähte. Der elektrische Strom in einem Draht verursacht ein Magnetfeld, das sich weit außerhalb des Drahtes befindet ... und der gesamte elektrische Energiefluss findet im Feld außerhalb und nicht innerhalb des Drahtes statt.

Mit anderen Worten, wenn Elektronen fließen, gibt es keine Energie innerhalb der Elektronen, stattdessen ist alles im leeren Raum; in den umgebenden Feldern der Elektronen.

Beachten Sie auch, dass die Batterie Elektronen aus dem positiven Draht anzieht, was eine Welle durch diesen Draht sendet. Mit anderen Worten, die Batterie sendet Energie entlang beider Drähte und nicht nur entlang des negativen Drahtes wie in Ihrem Diagramm. Und mit Schläuchen und Wasser kann man sowohl durch Saugen als auch durch Blasen Wellen aussenden. (Beide Drähte waren natürlich schon voller Ladungsträger. Die Elektronen sind das „Medium“ für die schnellen Wellen.)

(2) Wenn die elektromagnetische Welle durch einen ballistischen Effekt verursacht wird (Elektronen „drücken“ das nächste Elektron wie Wassermoleküle in einer Röhre …

Kein ballistischer Effekt, da dies alles mit perfekt leitenden Null-Ohm-Drähten gleich funktioniert und keine Kräfte gegen jedes Elektron in der Kette geschoben werden müssen.

Ja, die Kräfte in einem Wasserschlauch gehen durch das Wasser, aber Kreisläufe sind anders. Der "Druck" in Schaltkreisen beinhaltet Kapazität; es handelt sich um das E-Feld oder "Spannungsfeld", das sich im Raum zwischen den Drähten befindet. Kurz gesagt, der „Druck“ entsteht, wenn die Batterie Elektronen aus einem Draht aufnimmt und positive Protonen zurücklässt. Es zwingt die Elektronen in den anderen Draht und lädt ihn negativ auf. Die positiven und negativen Drähte sind ein Kondensator, wobei die Kräfte auf die Elektronen nur im Raum, im "Dielektrikum", auftreten. Die Kräfte wirken nicht auf die Anschlussdrähte, sondern treiben dort die Elektronen des Filaments gegen starken Widerstand zum Fließen.

Die vollständige Antwort auf Ihre Fragen finden Sie im "Nahfeld"-Teil des Themas EM-Theorie und auch in der Antennentheorie an der Grenze der Niederfrequenz und wo die Metallstrukturen << Wellenlänge sind. Mit anderen Worten, wir können eine Taschenlampenschaltung als Schleifenantenne analysieren, sie dann aber bei Null oder niedriger Frequenz betreiben, wo die Strahlung von EM-Wellen gegen Null geht.

Nur zu Ihrer Information, hier ist das magnetische Wechselfeld einer (winzigen) Spule bei niedriger Frequenz (es entweichen keine EM-Wellen):

MIT Teal: OSC-Feld v2

Und hier läuft dieselbe Spule mit höherer Frequenz, wo sich das Magnetfeld immer noch ausdehnt und zusammenbricht, aber auch die EM-Wellen abfliegen:

MIT Teal: Osc Field Intermediate v2

Bei DC-Batterieschaltungen ist die EM-Strahlung von der Schaltung effektiv Null. Es gibt starke Felder, aber sie fliegen nicht als Wellen davon. Die Energieflusslinien des Poynting-Vektors befinden sich draußen im Raum, aber sie müssen sich krümmen, um dem Kreislauf zu folgen. Die Poynting-Vektorlinien dürfen nicht wie in Ihrem ersten Diagramm nach außen in den leeren Raum zeigen, da Änderungen in den Feldern zu langsam erfolgen und die Schaltung im Vergleich zur Wellenlänge von EM-Wellen zu klein ist.

Streng genommen können wir eine Taschenlampenschaltung als eine Spule mit einer Windung mit ihrem umgebenden Magnetfeld betrachten. Aber in Spulen bei Gleichstrom wird Energie im Magnetfeld gespeichert, aber es fließt keine Energie ...

In dieses Modell schließen wir die Kapazität ein: den Kondensator, der durch die beiden geladenen Drähte gebildet wird, die die Batterie und den Glühfaden verbinden. In einem reinen Kondensator bei Gleichstrom wird Energie gespeichert, aber es fließt keine Energie. Skizzieren Sie das E-Feld zwischen diesen positiven und negativen Drähten:

Als nächstes: Immer wenn elektrische Energie fließt (wenn sowohl Volt als auch Ampere vorhanden sind), erscheinen beide Felder. Zusammen zeigen diese beiden Felder einen Querschnitt der EM-Energie, die von der Batterie zum Widerstand fließt:

Es gibt ein weit verbreitetes Missverständnis im Zusammenhang mit diesem Diagramm oben. Viele Studenten gehen davon aus, dass es nur für extrem hohe Frequenzen gilt; zur HF-Wattleistung, die über 2-Draht-Übertragungsleitungen übertragen wird. Falsch. Es gibt keine Untergrenze für die Frequenzen, in denen dies gilt. Es funktioniert für Lautsprecherkabel in Ihrer Stereoanlage, für Telefon- und Telegrafenleitungen, für 60-Hz-Stromleitungen und funktioniert mit Taschenlampen bis hinunter zu Gleichstrom. (Mit anderen Worten, Maxwell gilt für Schaltkreise unabhängig von der Frequenz. Doh! Wer hätte das gedacht!)

Betrachten wir diese Feldlinien als nächstes aus einem anderen Blickwinkel und skizzieren im Poynting-Vektor auch Energieflusslinien, die die „Quadrate“ von e- und b-Fluss verbinden, dann sieht der Energiefluss in etwa so aus:

Alles verbindet sich und macht Sinn: Elektrische Energie strömt aus der Batterie, verläuft ungefähr parallel zu den Verbindungsdrähten und taucht dann in den Widerstand / Glühfaden ein; rechtwinklig in die Wolframoberfläche eindringt. Gleichzeitig sind die Ströme in den Drähten mit dem Magnetfeld verbunden oder "verursachen", und die Spannung über den Drähten ist mit dem elektrischen Feld verbunden oder "verursacht".

Bei all dem gibt es ein großes Problem: Es wird immer nur Ingenieurstudenten im 4. Jahr präsentiert! Sie und auf Graduiertenebene Physik, aber nicht für Studenten oder Gymnasiasten. Es ist nicht in Kursmaterialien für Techniker zu finden (außer vielleicht in Radiotechnikkursen und dann nie auf Gleichstromkreise, Telefonkabel oder 60-Hz-Stromleitungen angewendet). Wahrscheinlich geschieht dies, weil die Mathe-Hausaufgaben weit über einen Anfänger hinausgehen würden Lehrbuchkapitel zu den oben genannten Themen MÜSSEN IMMER Mathe-Hausaufgaben HABEN, oder?, oder? :) Vergess das! Wir können alles nur mündlich erklären und Bilder wie oben zeichnen. Keine Mathematik erlaubt. Richten Sie es nicht auf Elektroingenieure, sondern tun Sie es für "Einsteins Publikum", wo Einstein es nicht tut

Die kurze Antwort auf Ihre Frage lautet, dass EM-Wellen sich in die gleiche Richtung ausbreiten wie der Draht und der Strom, geführt von zwei gegenüberliegenden Leitern, und in jedes Gerät fließen, das Strom verbraucht (ein Spannungsabfall darüber und ein Stromfluss durch es). Für Ihre Glühbirnenschaltung fließt die Welle also von der Batterie zur Glühbirne zwischen den Drähten. Hier ist ein Bild, das diese Idee veranschaulicht.

Es besteht auch die Tendenz, dass die Welle aus dem Stromkreis "entweicht", insbesondere an Kurven oder bestimmten Strukturen wie Antennen, die so ausgelegt sind, dass sie das Entweichen von Strahlung aus dem Stromkreis maximieren. Bei niedrigen Frequenzen ist dies jedoch nahezu vernachlässigbar.

Lange Antwort: Lesen Sie diese Seite oder diese Seite, um einen besseren Überblick darüber zu erhalten, wie und warum sich die Welle so ausbreitet, wie sie es tut. Beachten Sie, dass Strom- und Ladungsbeschreibungen von Schaltkreisen vollständig äquivalent zu EM-Wellenbeschreibungen sind und es daher möglich ist, denselben Schaltkreis auf beide Arten zu beschreiben. Wenn also einige der Autoren die Energie als „eigentlich“ außerhalb des Kreislaufs beschreiben, ist das etwas irreführend.

Folgt die EM-Welle demselben Weg wie die Driftgeschwindigkeit?

Ich nehme an, Sie fragen nach einem Fall, in dem die Drahtschleife groß genug ist, um effektiv zu strahlen. Das heißt, Sie fragen nach einer Resonanzschleifenantenne mit einem Umfang, der ungefähr der Wellenlänge des angelegten Signals entspricht.

Nein, in diesem Fall folgt die EM-Welle (oder zumindest das E-Feld) nicht dem Weg der Driftgeschwindigkeit. Warum? Das E-Feld bewirkt, dass die Ladungsträger beschleunigt werden. Die Orte mit dem höchsten E-Feld sind also die Orte mit der größten Beschleunigung der Träger. Da wir von einer Sinusschwingung sprechen, wissen wir, dass die Orte mit der größten Beschleunigung tatsächlich die Orte sind, an denen die Geschwindigkeit Null ist. Und die Trägergeschwindigkeit muss an den Orten mit Nullbeschleunigung am größten sein (was die Orte mit Null-E-Feld sein müssen).

Das Maximum des H-Feldes muss andererseits gemäß dem Gesetz von Ampere in der Nähe der Stellen maximal sein, wo die Trägergeschwindigkeit maximal ist.

Wenn die Welle von der Spannungsquelle (Batterie) induziert wird und sich von ihr ausbreitet, sollte sie den Vektorpfad des von der Batterie erzeugten Magnetfelds anstelle des Schaltkreispfads nehmen.

Wenn Sie die Antenne mit einer Gleichstromquelle wie einer Batterie betreiben, wird keine EM-Welle erzeugt, da die Batterie nur einen Gleichstrom erzeugt. Das Magnetfeld wird durch die Schleife in der entgegengesetzten Richtung kreisen, wie Sie es gezeichnet haben, gemäß der Regel für die rechte Hand. Das E-Feld wird von den Teilen des Stromkreises mit höherem Potential zu den Teilen des Stromkreises mit niedrigerem Potential zeigen, müsste aber wahrscheinlich unter Verwendung einer elektrostatischen Simulation berechnet werden.

Wenn die elektromagnetische Welle durch einen ballistischen Effekt verursacht wird (Elektronen „drücken“ das nächste Elektron wie Wassermoleküle in einer Röhre), sollte die Welle dann nicht den Draht tangieren und in den Weltraum schießen?

Ich werde auf die Erörterung einer Antenne mit einem Wechselstromstimulus zurückkommen.

Denken Sie daran, dass die EM-Wellen, die von jedem infinitesimalen Element der Antenne erzeugt werden, sich gegenseitig stören.

Die Strahlung, die wir im Fernfeld sehen , ist die Überlagerung der Wellen, die von allen zusammenarbeitenden Antennenelementen erzeugt werden.

Wenn sich das Spannungssignal um die Schleife herum ausbreitet, zeigt das E-Feld manchmal von der „Oberseite“ der Antenne nach „unten“ und zu anderen Zeiten von der „linken Seite“ zur „rechten Seite“. Wenn das Signal oszilliert, erzeugen diese oszillierenden Felder eine EM-Welle mit einem omnidirektionalen Strahlungsmuster; das heißt, es strahlt nahezu gleichmäßig in alle Richtungen in der Ebene der Schleife.

Was hindert die Welle daran, in den Drahtpfad zu gelangen?

Die Welle folgt nicht dem Drahtpfad, sie strahlt nach außen. Der Strom ist darauf beschränkt, dem Drahtpfad zu folgen, da Luft nicht genügend freie Ladungsträger enthält, um den Strom zu tragen.

Strom im Draht ist, weil an jedem Punkt ein elektrisches Netzfeld entlang des Drahtes vorhanden ist. Dieses E ist auf die Variation der Oberflächenladungsdichte auf der Drahtoberfläche zurückzuführen, wenn wir uns von der Anode zur Kathode bewegen. Dieses E setzt sich zu einem bestimmten Zeitpunkt an jedem Punkt innerhalb des betrachteten Drahtes fort und ist von gleicher Stärke. Die Variation von E(t) hängt von der Art der Quelle ab. Für eine Gleichstromquelle ist E(t) konstant und gegeben durch V/l(V=Spannung und l=Leitungslänge). Für eine Wechselstromquelle$E(t)=E_0 sin(\omega t)$an irgendeiner Stelle innerhalb des Drahtes.

Jetzt bewegen sich die Elektronen gemäß dem Drude-Modell zufällig in alle Richtungen und kollidieren mit dem schweren Kern. Im Durchschnitt dauert es$\tau$Zeit für jedes Elektron, wieder zu kollidieren. Dazwischen beschleunigt das Elektron und muss daher eine EM-Welle ausstrahlen. Diese EM-Welle kann im Draht eingeschlossen (absorbiert) werden und als Wärme erscheinen. Oder es kann als Licht erscheinen, das aus dem Draht kommt. Was passieren würde, hängt hauptsächlich von der Natur des Materials ab. Einige Materialien wie Wolfram, die in Glühbirnen verwendet werden, leuchten, andere Materialien wie Aluminium erhitzen sich.

Davon abgesehen. Es könnten noch weitere Details hinzukommen. ZB habe ich hier ein besseres Modell als das Drude-Modell gefunden, Free Electron Model . Quantum Machenics liegt außerhalb meiner Kompetenz. Also konnte ich nur mit klassischer Physik helfen. Fühlen Sie sich frei, in den Kommentaren zu fragen.