Wie kommt es, dass zwei elektrische Ströme gleichzeitig auf demselben Draht in entgegengesetzte Richtungen fließen können, ohne sich gegenseitig zu stören?

An Introduction to Information Theory: Symbols, Signals and Noise , von John R. Pierce, sagt Folgendes:

Linearität ist zwar eine wirklich erstaunliche Eigenschaft der Natur, aber keineswegs eine Seltenheit. Alle Schaltungen aus Widerständen, Kondensatoren und Induktoren, die in Kapitel I im Zusammenhang mit der Netzwerktheorie besprochen wurden, sind linear, ebenso wie Telegrafenleitungen und Kabel. Tatsächlich sind elektrische Schaltungen normalerweise linear, außer wenn sie Vakuumröhren oder Transistoren oder Dioden enthalten, und manchmal sind sogar solche Schaltungen im Wesentlichen linear.

Da Telegrafendrähte linear sind, das heißt, weil Telegrafendrähte so beschaffen sind, dass sich elektrische Signale auf ihnen unabhängig voneinander verhalten, ohne miteinander zu interagieren, können zwei Telegrafensignale gleichzeitig auf derselben Leitung in entgegengesetzte Richtungen laufen, ohne sich gegenseitig zu stören . Obwohl Linearität ein ziemlich häufiges Phänomen in elektrischen Schaltungen ist, ist es keineswegs ein universelles Naturphänomen. Zwei Züge können auf demselben Gleis nicht ungestört in entgegengesetzte Richtungen fahren. Vermutlich könnten sie es aber, wenn alle in Zügen enthaltenen physikalischen Phänomene linear wären. Der Leser könnte über das unglückliche Los einer wirklich linearen Rasse von Wesen spekulieren.

Als ich aus physikalischer Sicht darüber nachdachte, fragte ich mich, wie es kommt, dass Telegrafendrähte linear sind, in dem Sinne, dass zwei Telegrafensignale (mit anderen Worten zwei elektrische Ströme) gleichzeitig auf derselben Leitung in entgegengesetzte Richtungen fließen können , ohne sich gegenseitig zu stören?

Ich dachte naiv an den Draht als eine einspurige Straße in beide Richtungen. In dieser Analogie könnten die Autos in beide Richtungen fahren, aber nicht gleichzeitig. So wie ich es verstehe, erzeugt die Bewegung von Elektronen in Festkörpern einen elektrischen Strom, also wären die Elektronen die Autos. Angesichts der Erklärung des Autors zur Linearität, was geht hier mit den Elektronen vor, die diesen gleichzeitigen Stromfluss in zwei Richtungen ermöglichen?

Ich habe auf der Wikipedia-Seite für lineare Schaltungen nichts gefunden, was diese physikalische Eigenschaft der Linearität verdeutlicht.

Ich würde es sehr schätzen, wenn sich die Leute bitte die Zeit nehmen könnten, dies zu klären.

PS Ich habe keinen Hintergrund in Elektrotechnik, daher wäre eine grundsätzlich formulierte Erklärung wünschenswert.

BEARBEITEN: Basierend auf Kommentaren aus dem vorherigen Thread verstehe ich, dass meine Analogie genauer wäre, wenn ich die Elektronen als doppelseitige Autoscooter darstelle und mir dann die Gegenfahrbahn, die sie bewohnen, als mit diesen Autos gefüllt vorstelle Bewegungen in beide Richtungen (elektrischer Strom in beide Richtungen) wird durch eine sequentielle "Schieben/Stupsen"-Bewegung dargestellt, wie eine Welle, die dadurch aufrechterhalten wird, dass jedes Auto in das "vorne" "stoßen/stupsen" (in der Stromrichtung).

EDIT 2: Ich sehe viele Antworten, die mir sagen, dass der Kern meines Missverständnisses auf der Tatsache beruht, dass ich annehme, dass elektrischer Strom und Signal dasselbe sind. Und diese Antworten sind richtig, ich ging davon aus, dass elektrischer Strom und Signal dasselbe sind, weil der Autor im Text immer wieder impliziert, dass es sich um dasselbe handelt (oder er nicht klar zwischen den beiden unterscheidet)! Siehe die folgenden Auszüge aus demselben Kapitel:

Während Morse mit Alfred Vail zusammenarbeitete, wurde die alte Codierung aufgegeben, und das, was wir heute als Morsecode kennen, wurde bis 1838 entwickelt. In diesem Code werden Buchstaben des Alphabets durch Leerzeichen, Punkte und Bindestriche dargestellt. Der Abstand ist das Fehlen eines elektrischen Stroms, der Punkt ist ein elektrischer Strom von kurzer Dauer und der Strich ist ein elektrischer Strom von längerer Dauer.

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Die Schwierigkeit, auf die Morse mit seinem unterirdischen Draht stieß, blieb ein wichtiges Problem.Unterschiedliche Schaltungen, die einen konstanten elektrischen Strom gleich gut leiten, sind nicht unbedingt gleich gut für die elektrische Kommunikation geeignet. Sendet man Punkte und Striche zu schnell über eine unterirdische oder unterseeische Leitung, werden sie am Empfangsende zusammengeführt. Wenn wir, wie in Abbildung II-1 gezeigt, einen kurzen Stromstoß senden, der sich abrupt ein- und ausschaltet, empfangen wir am anderen Ende des Stromkreises einen längeren, geglätteten Anstieg und Abfall des Stroms. Dieser längere Stromfluss kann den Strom eines anderen gesendeten Symbols überlappen, beispielsweise als Strommangel. Wenn also, wie in Abbildung II-2 gezeigt, ein klares und deutliches Signal gesendet wird, kann es als ein vage wandernder Anstieg und Abfall des Stroms empfangen werden, der schwer zu interpretieren ist.

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Wenn wir unsere Punkte, Leerzeichen und Striche lang genug machen, folgt der Strom am fernen Ende natürlich besser dem Strom am sendenden Ende, aber dies verlangsamt die Übertragungsrate. Es ist klar, dass mit einer gegebenen Übertragungsschaltung irgendwie eine begrenzende Übertragungsgeschwindigkeit für Punkte und Zwischenräume verbunden ist. Für Unterseekabel ist diese Geschwindigkeit so langsam, dass sie Telegraphen stört; für Drähte an Stangen ist es so schnell, dass es Telegraphen nicht stört. Frühe Telegrafisten waren sich dieser Einschränkung bewusst, und sie liegt auch im Kern der Kommunikationstheorie.

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Selbst angesichts dieser Geschwindigkeitsbegrenzung können verschiedene Dinge getan werden, um die Anzahl von Briefen zu erhöhen, die über eine gegebene Leitung in einer gegebenen Zeitspanne gesendet werden können. Das Senden eines Bindestrichs dauert dreimal so lange wie ein Punkt. Man erkannte bald, dass man durch Doppelstrom-Telegrafie gewinnen konnte. Wir können dies verstehen, indem wir uns vorstellen, dass am Empfangsende ein Galvanometer, ein Gerät, das die Flussrichtung kleiner Ströme erkennt und anzeigt, zwischen dem Telegrafendraht und der Erde angeschlossen ist. Um einen Punkt anzuzeigen, verbindet der Sender den Pluspol seiner Batterie mit dem Kabel und den Minuspol mit Masse, und die Nadel des Galvanometers bewegt sich nach rechts. Um einen Strich zu senden, verbindet der Sender den Minuspol seiner Batterie mit dem Kabel und den Pluspol mit der Masse. und die Nadel des Galvanometers bewegt sich nach links. Wir sagen, dass ein elektrischer Strom in eine Richtung (in den Draht hinein) einen Punkt darstellt und ein elektrischer Strom in die andere Richtung (aus dem Draht heraus) einen Strich darstellt. Überhaupt kein Strom (Batterie getrennt) repräsentiert ein Leerzeichen. Bei der eigentlichen Doppelstrom-Telegrafie wird eine andere Art von Empfangsgerät verwendet.

In der Single-Current-Telegrafie haben wir zwei Elemente, aus denen wir unseren Code aufbauen können: Strom und kein Strom, die wir 1 und 0 nennen könnten. In der Double-Current-Telegrafie haben wir wirklich drei Elemente, die wir als Vorwärtsstrom charakterisieren könnten, oder Strom in den Draht; kein Strom; Rückwärtsstrom oder Strom aus dem Draht; oder als +1, 0, -1. Hier gibt das Zeichen + oder – die Richtung des Stromflusses an und die Zahl 1 gibt die Größe oder Stärke des Stroms an, die in diesem Fall für den Stromfluss in beiden Richtungen gleich ist.

1874 ging Thomas Edison noch weiter; In seinem Quadruplex-Telegrafensystem verwendete er zwei Stromstärken sowie zwei Stromrichtungen. Er benutzte Intensitätsänderungen, unabhängig von Richtungsänderungen des Stromflusses, um eine Nachricht zu senden, und Richtungsänderungen des Stromflusses, unabhängig von Intensitätsänderungen, um eine andere Nachricht zu senden. Wenn wir davon ausgehen, dass die Ströme sich gleich voneinander unterscheiden, könnten wir die vier verschiedenen Zustände des Stromflusses, durch die die beiden Nachrichten gleichzeitig über den einen Stromkreis übermittelt werden, als +3, +1, -1, -3 darstellen. Die Interpretation dieser auf der Empfängerseite ist in Tabelle I dargestellt.

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Abbildung II-3 zeigt, wie die Punkte, Striche und Zwischenräume von zwei gleichzeitigen, unabhängigen Nachrichten durch eine Folge der vier verschiedenen Stromwerte dargestellt werden können.

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Wie viele Informationen über eine Schaltung gesendet werden können, hängt natürlich nicht nur davon ab, wie schnell man aufeinanderfolgende Symbole (aufeinanderfolgende Stromwerte) über die Schaltung senden kann, sondern auch davon, wie viele verschiedene Symbole (unterschiedliche Stromwerte) man zur Auswahl hat . Wenn wir als Symbole nur die beiden Ströme +1 oder 0 oder, was ebenso wirksam ist, die beiden Ströme +1 und -1 haben, können wir dem Empfänger immer nur eine von zwei Möglichkeiten übermitteln. Wir haben jedoch oben gesehen, dass wir, wenn wir einen von vier aktuellen Werten (jedes von vier Symbolen) gleichzeitig auswählen können, wie +3 oder +1 oder -1 oder -3, mittels übertragen können diese aktuellen Werte (Symbole) zwei unabhängige Informationen: ob wir in Nachricht 1 eine 0 oder 1 meinen und ob wir in Nachricht 2 eine 0 oder 1 meinen. Die Verwendung von vier aktuellen Werten ermöglicht es uns, zwei unabhängige Nachrichten zu senden, jede so schnell wie zwei aktuelle Werte es uns ermöglichen, eine Nachricht zu senden. Wir können doppelt so viele Briefe pro Minute versenden, wenn wir vier aktuelle Werte verwenden, wie wir es könnten, wenn wir zwei aktuelle Werte verwenden.

Und dieses Lehrbuch setzt keine physikalischen oder elektrotechnischen Vorkenntnisse voraus, daher scheint es unwahrscheinlich, dass Leser zwischen Signal und elektrischem Strom unterscheiden können - insbesondere angesichts der Tatsache, dass der Autor ständig zu implizieren scheint, dass sie gleich sind ( oder es versäumt, die beiden für Personen ohne einen solchen Hintergrund klar zu trennen).

Muss später mit einer Erklärung der Antwortklasse zurückkommen, aber im Wesentlichen addieren sich die Beiträge zweier Absender einfach, wo sie aneinander vorbeigehen, die Herausforderung liegt an den Enden. Wenn Sie wissen, was Sie senden, können Sie das abziehen und sehen, was die andere Person gesendet hat. Der Haken sind Übertragungsleitungseffekte und die Möglichkeit, eine Reflexion Ihrer vergangenen Übertragung zu sehen. Wenn Sie die Vorlesung über Übertragungsleitungen durchgesessen haben, ist die Idee von Impulsen, die in jede Richtung gehen und sich gegenseitig passieren, klar und Sie versuchen darüber nachzudenken, wie Sie dies ohne dies klar erklären können.
@ChrisStratton Hallo Chris. Aber in diesem Fall senden die Absender in entgegengesetzte Richtungen – nicht in die gleiche Richtung. Außerdem bezieht sich meine Frage mehr auf die Physik, die das beschriebene Phänomen ermöglicht.
Das Zitat und die obige Antwort beziehen sich beide auf entgegengesetzte Richtungen. Die zitierte Physik ist eine einfache Addition zu jedem momentanen Zeitpunkt und Raum. Die im Zitat nicht erwähnten Teile sind die Zeitverzögerungen, Reflexionen von Impedanzsprüngen und deren praktische Nutzung.
Denken Sie an zwei Menschen, die eine Meile voneinander entfernt in leerem Gelände mit Startpistolen stehen. Verhindert das Abfeuern des einen, dass Sie den anderen hören? Nur wenn Sie gleichzeitig Ihren abfeuern, erreicht Sie das Geräusch des entfernten, oder wenn es dies tut, während sich Ihre Ohren nicht wieder normalisiert haben, oder wenn es eine Reflexion von Ihnen von einer nahe gelegenen Klippe gibt, die Sie verwirren könnten. Die eigentlichen Klänge gehen durcheinander, wenn sie sich im Zwischenraum treffen.
@ChrisStratton hmm, das macht Sinn. Aber diese Erklärung ist eine Abstraktion der zugrunde liegenden physikalischen Phänomene, richtig? Was passiert also gemäß meiner Analogie tatsächlich auf der Elektronenebene?
Stellen Sie sich zunächst eine sehr große Flotte von Autoscooter vor...
Ströme addieren sich additiv auf einem einzelnen Leiter. Wellen können einander passieren.
Ströme in einem Draht ( mit Ausnahme des Hokuspokus der Quantenmechanik ) können jeweils nur in eine Richtung fließen (2 A vorwärts + 1 A rückwärts = nur 1 A vorwärts, da sich ein Teil davon aufhebt). Dies gilt jedoch nicht für den Stromfluss in einer Übertragungsleitung (was in Wirklichkeit alles ist, aber Sie wirklich nur bei hohen Frequenzen bemerken). Vielleicht interessiert es Sie zu wissen, dass der Strom nicht nur gleichzeitig in beide Richtungen fließen kann, sondern dass es sogar Geräte (Richtkoppler genannt) gibt, die ihn messen können (in HF wird immer etwas Strom reflektiert).
Beachten Sie, dass Ihr Lehrbuchzitat "zwei Telegrafensignale ..." sagt, während Ihre Frage "zwei elektrische Ströme ..." sagt, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Aber nach dem Ohmschen Gesetz, $V=IR$, ist der Strom proportional zum Spannungsabfall über dem Draht. Sie werden also niemals Ströme beobachten, die >>gleichzeitig<< in entgegengesetzte Richtungen fließen. Wie die Antworten vermuten lassen, kann die Wellenform, die durch eine sehr schnell variierende Spannung dargestellt wird, Nachrichten in beide Richtungen codieren.
Ehrlich gesagt glaube ich nicht, dass der Autor dieses Buches versteht, was „linear“ bedeutet. Es bedeutet sicherlich nicht das, was er in der von Ihnen zitierten Passage beschreibt. Kondensatoren und Induktivitäten sind entschieden nichtlinear. @JohnForkosh hat es richtig gemacht; Sie müssen keinen Stromfluss in beide Richtungen nachweisen, um Zwei-Wege-Signale zu codieren. Tatsächlich ist die Telegraphenschaltung, die Duplexing (Kommunikation in beide Richtungen) demonstriert, fast absurd einfach. Alles, was es braucht, ist eine Spule mit Mittelanzapfung und ein Rheostat. Siehe mysite.du.edu/~jcalvert/tel/morse/morse.htm#H1
Kurz gesagt, Sie brauchen keine Wellenleiter, orthogonalen Moden, Zirkulatoren oder irgendetwas annähernd so Exotisches, um die Zwei-Wege-Kommunikation über ein Kabel zu erklären.
@RobertHarvey Ok, danke für die Klarstellung. Angesichts des Hintergrunds des Autors finde ich das überraschend: en.wikipedia.org/wiki/John_R._Pierce
Es ist durchaus möglich, dass ich nicht genug Kontext aus dem Buch gesehen habe, um zu verstehen, was er mit „linear“ meint. Die von Ihnen zitierte Passage scheint darauf hinzudeuten, dass er Linearität als "zwei Dinge, die gleichzeitig denselben Raum einnehmen" betrachtet. Mein Verständnis von Linearität ist das einer geraden Linie in einem kartesischen Graphen.
Grundsätzlich liegt es daran, dass die mathematischen Gleichungen, die die elektromagnetischen Wellen beschreiben (die Wellengleichung), linear sind. Sie können tiefer gehen und zeigen, dass die Maxwell-Gleichungen auch linear sind. Dies liegt daran, dass die Coulomb-Kraft proportional zur Ladung ist und die spezielle Relativitätstheorie, die die magnetische Kraft hervorruft, linear ist.
Es gibt zwei verschiedene Bedeutungen von „Linearität“ – die elektrische, die John Forkosh zitiert, und eine andere, die im Zusammenhang mit Funksignalen verwendet wird, die dieser Autor verwendet: „Die Regel der Linearität ist vielen mathematischen und technischen Aspekten gemeinsam. Ganz einfach, Linearität beschreibt, dass Sie die Effekte eines Systems beschreiben können, indem Sie das Eingangssignal in einfache Teile zerlegen und am Ausgang Überlagerung verwenden, um die Gesamtsystemausgabe wiederherzustellen. - dspillustrations.com/pages/posts/misc/…

Antworten (14)

Die physikalische Erklärung ist, dass Wellenleiter (einschließlich des freien Raums) orthogonale Moden für die beiden Ausbreitungsrichtungen haben. Das bedeutet, dass sich die beiden gegenläufigen Signale nicht überlagern. (Dies ist keine Annäherung, es wird keine Interferenz geben).

Das Gerät, das "gesendetes" und "empfangenes" Signal trennt, ist ein Zirkulator . Es existiert auch im optischen Bereich und kann verwendet werden, um Duplexkommunikation über eine einzelne optische Faser zu implementieren. Im HF-Bereich kann es verwendet werden, um die Trennung von Sende- und Empfangssignalen über eine einzige Antenne (natürlich zur gleichen Zeit und auf der gleichen Frequenz) zu implementieren. In der Praxis werden hauptsächlich aus technischen Gründen häufig unterschiedliche Frequenzen zum Senden und Empfangen verwendet. Der Zirkulator hat keine perfekte Isolation und bei sehr schwachen Empfangssignalen funktioniert die Trennung nicht so gut. Aber wenn man ein perfektes Umwälzgerät hätte, würde die Anordnung funktionieren.

In der alten analogen Telefonanlage gab es nur ein Adernpaar, dennoch konnte gleichzeitig gesprochen und gehört werden.

TL/DR: Eine sehr elementare Erklärung ist, dass man Spannung und Strom in einem Draht hat und das verwendet werden kann, um getrennte Informationen in zwei Richtungen zu übertragen. Folgendes berücksichtigen:

Auf einer Seite des Drahtes befindet sich eine steuerbare Spannungsquelle, und die zu übertragende Information ist die Momentanspannung. Auf der anderen Seite des Drahtes befindet sich eine steuerbare Stromquelle (oder besser "Senke"). Die zu übertragende Information ist hier der momentane Strom. Offensichtlich kann Station 1 (die mit der Spannungsquelle) das Signal von Quelle 2 lesen, indem sie einfach den Strom durch den Draht misst. Station 2 kann das Signal von Station 1 auch empfangen, indem sie die Spannung an den Anschlüssen ihrer Stromquelle misst. Dies beweist also, dass Sie Informationen gleichzeitig in zwei Richtungen über ein einziges Adernpaar übertragen können. Und wenn Sie bezweifeln, dass es möglicherweise nicht möglich ist, eine Stromquelle/-senke mit einer Spannungsquelle zu verbinden. Das ist durchaus möglich,

EDIT: Es gibt auch eine elementare Erklärung für Wellen: Eine Freiraumwelle hat ein oszillierendes elektrisches und magnetisches (E und H) Feld. Sie sind im 90°-Winkel im Raum ausgerichtet und haben eine zeitliche Phasenverschiebung von 90°. Er beträgt +90° für Vorwärts- und –90° für Rückwärtsausbreitungsrichtung (es kann je nach Wahl des Koordinatensystems oder Phasenvorzeichens umgekehrt sein). Auch das Verhältnis von magnetischer und elektrischer Feldstärke zum Wellenwiderstand des Mediums (bei Vakuum 377 Ohm) ist festgelegt. Wenn wir jetzt eine sich vorwärts und rückwärts ausbreitende Welle haben, haben wir überall in Raum und Zeit die Überlagerung der elektrischen und magnetischen Felder. Eine ideale Trennung beider Wellen ist jedoch möglich. Einfach gesagt: Die elektrischen Felder addieren sich, während die magnetischen Felder subtrahieren (aufgrund der gesamten Phasenverschiebung von 180°). Da die Amplituden des E- und des H-Felds jeder Komponente ein festes Verhältnis haben, können wir das H durch das E-Feld (oder umgekehrt) ersetzen und nach den zwei E-Feld-Amplituden der sich hin- und zurück ausbreitenden Wellen auflösen. Das zeigt, dass eine ideale Trennung der beiden Ausbreitungsrichtungen möglich ist.

Und die sehr abstrakte physikalische Erklärung dahinter ist – wie ich bereits geschrieben habe – dass die Moden, die den beiden Ausbreitungsrichtungen entsprechen, immer orthogonal sind und Signale nicht interferieren.

In the old analog telephone system there was only a single wire pair, yet it was possible to speak and hear at the same time.-- Ja, aber das liegt daran, dass die beiden Sprachsignale gemischt wurden, das gleiche Phänomen, das es ermöglicht, mehrere Instrumente mit einem Mixer in einen Song einzufügen.
@RobertHarvey nein. Jedes Ende hört das andere Ende in seinem Lautsprecher, ohne seine eigene Stimme zu hören (oder zumindest eine stark gedämpfte Version davon zu hören; Fehlanpassungen im System verursachen immer ein wenig reflektiertes Signal).
@hobbs Dein Kommentar stimmt nicht ganz mit meiner Erfahrung überein. Ich höre auf jeden Fall meine eigene Stimme, wenn ich über das Festnetz spreche, laut und deutlich, und selbst auf einer Leitung ohne Wählton, aber mit Batterie (48 V von der Telefongesellschaft geliefert), kann ich mich selbst in das Testtelefon atmen hören. So weiß ich, dass Batterie auf der Leitung ist. Dieser letzte Punkt unterstreicht die Art und Weise, wie ich Ihrem Kommentar zustimme: Sich selbst auf einem Festnetzanschluss zu hören, liegt nicht daran, dass Sie Ihr eigenes Signal auf der Leitung hören, sondern das Telefon selbst , das das Signal vom Mikrofon Ihres Telefons und das Signal von der Leitung mischt .
Siehe auch "Mithörton"
Eine zu komplexe Antwort auf die gestellte Frage und mit mehreren Ungenauigkeiten. Auch die Grammatik hat hier Probleme, was soll das heißen: "Die beiden Ausbreitungsrichtungen sind immer orthogonal" ???
@kostas "mehrere Ungenauigkeiten": könnten Sie genauer sein? Hätten Sie den Anfang der Antwort gelesen ("- wie ich bereits geschrieben habe - "), hätten Sie bemerkt, dass ich mich auf "Verbreitungsarten" bezog. Aber wahr, der letzte Satz in dieser Form war ungenau. Ich habe es bearbeitet, um genau zu sein und mit dem Hauptteil der Antwort übereinzustimmen.

in dem Sinne, dass zwei Telegrafensignale (mit anderen Worten zwei elektrische Ströme) gleichzeitig auf derselben Leitung in entgegengesetzte Richtungen fließen können, ohne sich gegenseitig zu stören

Das ist der Punkt. Ein Telegrafendraht ist nicht nur ein Draht, der Gleichstrom transportiert. Es transportiert ein Signal , das im Wesentlichen eine Spannungs- oder Stromwelle ist . Der Strom pendelt um einen Wert von 0   v (oder 0   A ).

Wenn sich zwei Stromwellen in entgegengesetzter Richtung ausbreiten, können sich die Wellen problemlos durchdringen, genauso wie zwei Schallwellen sich in demselben Medium in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten können.

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(Hier wandert die blaue Welle nach links, die grüne nach rechts und die rote Welle ist die resultierende Überlagerung von ihnen. Die rote Welle ist die Strom-/Spannungsverteilung, die im Draht über die Zeit gemessen wird.)

Stattdessen entspricht der Wert, den Sie an jedem Punkt messen würden, der linearen Summe der Amplituden beider Wellen – das nennt man das Prinzip der Überlagerung . Wellen gehorchen diesem Prinzip, wenn ihre zugrunde liegenden Gleichungen linear sind, dh die Wellengleichung keine höheren Potenzen enthält ( X 2 , X 3 , etc) der Variable, die "winkt". Das wäre die Spannung U ( X , T ) oder der Strom ICH ( X , T ) im Telegrafenfall.

Speziell die Gleichungen, die Wellen in einer Übertragungsleitung beschreiben, haben sogar einen Namen: die Gleichung des Telegrafen .

∂ ∂ X U ( X , T ) = − L ∂ ∂ T ICH ( X , T ) − R ICH ( X , T )
∂ ∂ X ICH ( X , T ) = − C ∂ ∂ T U ( X , T ) − G U ( X , T )

L , C , G Und R sind Eigenschaften der Übertragungsleitung (Induktivität, Kapazität, Leitwert und Widerstand) und bestimmen, wie die Form des Signals verzerrt, gedämpft und verlangsamt wird, während es die Leitung hinunterläuft. Der Rest beschreibt, wie sich eine Anregung der Spannung und des Stroms durch diese Übertragungsleitung entlang der Position ausbreitet X und durch die Zeit T .

Wie Sie sehen können, sind alle interessierenden Größen (Voltage U und aktuell ICH ) erscheinen nur in der ersten Potenz . Das hat zur Folge, dass wenn man zwei Lösungen der Wellengleichung findet, auch deren Summe eine Lösung derselben Gleichung ist (auch wenn man sie mit einem Faktor multipliziert). Also wenn U 1 ( X , T ) Und U 2 ( X , T ) sind dann auch Lösungen der Wellengleichung

U ( X , T ) = a ⋅ U 1 ( X , T ) + β ⋅ U 2 ( X , T )
ist eine Lösung, wo a Und β sind Faktoren.

Randnotiz zu DC:

Zwei Ströme, die in entgegengesetzte Richtungen fließen, würden ihre Beiträge aufheben und zu keinem Strom führen. Alternativ können Sie sich einfach durch das Ohmsche Gesetz davon überzeugen, dass ein Gleichstrom (DC) nicht in beide Richtungen gleichzeitig fließen kann :

Angenommen, Sie haben einen Draht mit einem bestimmten Widerstand R . Nach dem Ohmschen Gesetz benötigen wir eine Potentialdifferenz von U = φ 2 − φ 1 zwischen den Enden, um einen Strom zu verursachen ICH = U R zu fließen. Der Strom (bestehend aus sich bewegenden positiven Ladungen) bewegt sich vom positiveren zum negativeren Potential.

Nun können wir die Potenziale umdrehen:

U ' = φ 1 − φ 2 = − U .
Da der Widerstand jedoch gleich bleibt, dreht sich auch der Strom um:
ICH ' = U ' R = − U R = − ICH .

Wenn wir beide Potentiale gleich machen, gibt es keinen Unterschied und der Strom ist Null.

Die einzige Möglichkeit, an beiden Enden einen Strom herauskommen zu lassen, besteht darin, eine Quelle in der Mitte zu haben, was nicht wirklich interessant ist.

Genau genommen können sich Wellen auch in die gleiche Richtung ausbreiten, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen, beispielsweise Wellen unterschiedlicher Frequenz. Einige ähnliche Gleichungen (obwohl nicht diese, denke ich) können es Wellen unterschiedlicher Frequenz ermöglichen, sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortzubewegen und sich gegenseitig zu überholen, wie die Züge in dem Buch, das das OP zitiert.
@Kostas Sicher, sie interagieren im Allgemeinen nicht.
Ihre Animation scheint einen überflüssigen letzten Frame zu haben, der die Glätte der Animation bei Wiederholung unterbricht (im Grunde zwei aufeinanderfolgende identische Frames).

Da ist Ihr Problem: Telegraphensignale sind keine elektrischen Ströme. (Wir könnten stattdessen genauso gut sagen, dass Telegraphensignale Spannung sind.) Was ist richtig? Weder.

Um dies zu lösen, geben Sie die Elektronik auf und greifen Sie stattdessen auf die Physik dahinter zurück. Tatsächlich sind die Telegraphensignale (und sogar alle elektrischen Signale überall) tatsächlich elektrische Energie; dasselbe wie Licht und Radiowellen. Signale sind Änderungen , und ein sich ändernder Strom beinhaltet eine Spannung, genauso wie sich ändernde Spannungen einen Strom beinhalten. Signale sind Watt, nicht nur Ampere und nicht nur Volt.

Signalenergie verhält sich anders als Ströme in Schaltkreisen. Während die Energie über einen Stromkreis fließt, tun dies die Ampere oder der Ladungsfluss nicht. Ladungen rotieren einfach als Ganzes durch die Schleife oder wackeln vielleicht leicht hin und her, aber Strom fliegt nicht mit Lichtgeschwindigkeit vorwärts. Etwas fliegt jedoch mit Lichtgeschwindigkeit entlang. Wir messen es und diskutieren es in Watt oder "Wattleistung". Die Amps fliegen nicht schnell, die Amps sind anders, die Amps sind die Zeitlupen des „Mediums“; Dieses Ladungsmeer, das in jedem Draht zu finden ist. Wellen gegen Medium. Ein bisschen wie Schallwellen gegen Wind. Elektrischer Strom ist wie Wind, während Signale wie Schallwellen sind. (Und natürlich sind Schallwellen Hin- und Herwind! Die Luft wackelt, während sich die Wellen nach vorne ausbreiten.)

Wie können zwei unabhängige Signale einen Stromkreis passieren? Fragen Sie sich zunächst, wie zwei unabhängige Schallwellen denselben Luftbereich passieren können. Und auf einen Teich, werfen Sie zwei Kieselsteine ​​und fragen Sie sich, wie zwei Bullseye-Wellenmuster einander durchdringen, ohne zu interagieren. Warum blockiert nicht ein Laserstrahl den anderen, wenn sie sich kreuzen? Es ist nur etwas, was alle Wellen tun können, wenn das Medium linear ist. In einem linearen System können Wellen addieren und wieder subtrahieren, sodass sie sich ohne Wechselwirkung kreuzen. Es funktioniert für Licht in einer optischen Faser. Es funktioniert für den Klang in einer Orgelpfeife. Es funktioniert für Koaxialkabel mit Impulsen, die in entgegengesetzte Richtungen gehen, und es funktioniert für Telegrafensignale, die sich mit Lichtgeschwindigkeit über ein einzelnes Paar, einen einzelnen Stromkreis, ausbreiten.

Die Antwort auf Ihre Frage bezieht sich auf das Wellenkapitel Ihres Physikbuches. Die Antwort auf Ihre spezielle Schaltungsfrage eröffnet ein ganzes faszinierendes Gebiet der Elektronik: Kabelreflexionen und stehende Wellen auf Drähten.

Andererseits können zwei Gleichströme nicht denselben Stromkreis belegen, da sie ihre Identität verlieren und sich zu einem Summenstrom verbinden. (Vergessen Sie nicht, dass jeder Stromkreis ein Induktor mit einer Windung ist. Ebenso können zwei verschiedene Spannungen nicht denselben Kondensator belegen! In beiden Fällen kombinieren sie sich und können nicht wieder abgezogen werden.) Zwei Gleichströme können einen einzelnen Draht belegen , wenn dieser Draht ein gemeinsamer Abschnitt von zwei ansonsten getrennten Stromkreisen ist. Aber sie tun dies, indem sie sich zu einem dritten Strom innerhalb dieses gemeinsamen Abschnitts addieren. (Zum Beispiel könnten sie in diesem Abschnitt auf Nullstrom subtrahieren, wenn sie zufällig gleich und entgegengesetzt sind. Ein Elektron kann nicht gleichzeitig in zwei Richtungen fließen.)

Gleichzeitig können sich jedoch zwei völlig unabhängige Energiewellen (Signale) über einen einzigen Stromkreis ausbreiten. WIE? Es beinhaltet sowohl E als auch M, und das enthält das Geheimnis: Um es zu verstehen, müssen wir beide Drähte des langen Paares betrachten , und wir müssen sowohl Spannung als auch Strom einbeziehen . Ihre Frage kann nicht beantwortet werden, solange wir uns nur auf einzelne Drähte und Ströme konzentrieren und die beiden Drähte und die Spannung an ihnen ignorieren.

In einem einzelnen Stromkreis ist der Strom ein geschlossener Kreis, wie ein Schwungrad. Es beginnt nicht an einer Stelle und fließt zu einer anderen (stattdessen geht es einfach im Uhrzeigersinn, CW oder vielleicht CCW, ähnlich wie ein Antriebsriemen.) Ein Strom in einem Stromkreis ist wie ein gedrehtes Schwungrad, eine geschlossene Schleife. Aber etwas geht sicher in eine Richtung, oder? Immer wenn eine Batterie eine Glühbirne zum Leuchten bringt, muss etwas von der Batterie zur Glühbirne gehen und nicht zurück zur Batterie. Dieses Etwas ist nicht aktuell. Stattdessen ist es EM-Energie, bei der der Energiefluss in Watt gemessen wird; von Volt mal Ampere. In einer Taschenlampenschaltung ist die Wattleistung ein schneller Einwegfluss von der Batterie zur Glühbirne. Aber die Strömung ist sehr langsamKreislauf. Auch hier besteht das "Signal", das von der Batterie zur Glühbirne geht, aus EM-Energie, nicht aus Ampere und nicht aus Elektronen.

Hier ist also der Anfang Ihrer Antwort: Wie können wir in einem einzelnen Stromkreis wissen, in welche Richtung die elektrische Energie fließt? Ganz einfach: Schauen Sie sich den Wattwert an. Insbesondere: Multiplizieren Sie die Volt zwischen den Drähten mal die Ampere durch sie. Wenn das Ergebnis positiv ist, fließt Energie in eine Richtung, und wenn es negativ ist, fließt sie in die andere. Schließen Sie mit einer Taschenlampe Ihr Voltmeter und Amperemeter an, damit sie eine positive Wattzahl ergeben, wenn wir sie miteinander multiplizieren. Wenn Sie dann die Glühbirne entfernen und stattdessen ein Batterieladegerät installieren, kehrt sich der Strom um, sodass die Energie rückwärts in die Batterie fließt. (Diese Idee ist entscheidend für AC, wo, wenn V- und I-Wellen synchron sind, die Energie kontinuierlich vorwärts fließt, aber wenn V und I bei 180 Grad liegen, fließt die Energie stattdessen rückwärts.)

Bei einem langen Kabel mit einem elektrischen Impuls mit positiver Wattzahl bewegt sich der Impuls also nach links, während bei einer negativen Wattzahl der Impuls nach rechts geht. Wenn wir den Akku der Taschenlampe plötzlich anschließen und trennen, senden wir eine Energiewelle entlang der beiden Drähte. Es bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit und wird von der Taschenlampe absorbiert, die aufleuchtet. Wenn wir die Batterie dauerhaft angeschlossen lassen, fließt immer noch eine Energiewelle zur Glühbirne, auch wenn es überhaupt keine Wellen gibt. Das ist das erste Konzept in der grundlegenden Wellentechnik: die Ausbreitung elektrischer Energie über Schaltkreise ... und die Idee, dass "DC" bei sehr niedriger Frequenz wirklich nur "AC" ist.

Nochmals zurück zum Anfang: Wie können zwei Signalpulse auf demselben Adernpaar in entgegengesetzte Richtungen fliegen? (Beachten Sie, dass es sich um ein Adernpaar mit eingeschlossener Spannung handeln muss . Nicht um eine einzelne Ader.) Dies kann auftreten, wenn einer der Impulse eine positive Wattzahl hat und nach links geht, während der andere Impuls eine negative Wattzahl hat und nach rechts geht. Ein Impuls kann aus positiven Volt und positiven Ampere bestehen, während der andere Impuls aus negativen Volt und positiven Ampere besteht. Beide Impulse sind EM-Wellen.

PS

Aha, ich sehe einen anderen Ansatz! (Ignorieren Sie es, wenn Sie möchten, da meine Güte, das ist lang.) Angenommen, wir haben zwei separate Schaltkreise, zwei Taschenlampen, aber dann verschmelzen wir einen kurzen Drahtabschnitt von jedem? Die beiden Schaltungen haben ein gemeinsames Stück Draht. Interagieren sie? Nein, denn innerhalb des gemeinsamen Drahtes addieren und subtrahieren die Ströme einfach wieder. Jede Batterie bringt unabhängig voneinander ihre eigene Glühbirne zum Leuchten, da jede Schaltungsschleife ihre eigene separate Batteriespannung und ihren eigenen separaten Schleifenstrom hat. Doch in diesem gemeinsamen Draht scheint es, als ob zwei verschiedene elektrische Ströme fließen! Sie sind es nicht, nicht wirklich, denn ein "Kreisstrom" ist der Strom in einer ganzen Schleife, einschließlich einer Batterie, einer Glühbirne und einem ganzen geschlossenen Leiterring. In diesem kombinierten Kabel werden die beiden Ströme an einem Ende des Kabels addiert und dann am anderen wieder subtrahiert.

Dies zeigt uns, dass die Antwort auf Ihre ursprüngliche Frage nicht aus einem einzigen Draht bestehen kann. Es kann nur beantwortet werden, indem man sich zurückzieht und einen breiteren Blick nimmt; indem auch die Spannung über zwei Drähte einbezogen wird.

Dies zeigt auch, wie "linear" versus "nichtlinear" funktioniert. In der gemeinsamen Leitung haben sich an einem Ende die beiden Ströme durch Addition zusammengeführt. Aber dann ziehen sie sich am anderen Ende wieder perfekt auseinander. Dadurch bleiben die beiden Schleifen unabhängig. Was aber, wenn dies nicht der Fall wäre und stattdessen die Ströme in der einzelnen Ader keine einfache Summenkombination wären? Aha, das wäre „NICHTLINEAR“. In diesem Fall konnten wir sie nach der Kombination nicht sauber trennen. Das "Zusammenaddieren" an einem Ende des Drahtes wäre dem "Auseinandersubtrahieren" am anderen Ende nicht vollkommen gleich, und in diesem Fall würden die beiden separaten Schaltkreise anfangen zu interagieren. Eine Batterie würde beginnen, die andere Glühbirne leicht zu beleuchten. Die Signale der beiden Schaltungen würden sich wirklich vermischen.

PPPS

Diese Art von Fragen hat eine lange Geschichte, und ein beliebtes Buch darüber ist THE MAXWELLIANS von BJ Hunt. Der berüchtigte Oliver Heaviside fand heraus, dass Telegraphensignale tatsächlich EM-Wellen waren, aber dann wurde er beinahe von William Preece, dem Leiter des Telegraphiebüros der britischen Regierung, unterdrückt, der „wusste“, dass Punkte und Striche einfach Ströme, Punkt, Ende der Geschichte und Stellen Sie keine Fragen oder WH Preece wird es Ihnen leid tun! :) Heaviside verwendete seine neue EM-Theorie der Kabelwellen, um ein riesiges Telegrafieproblem zu lösen: Bei allen Signalen, die über 100 km lange Telegrafenleitungen laufen, würden die Punkte entweder verschwinden oder „kräuseln“, und bei Telefonleitungen war die Fernübertragung vollständig verzerrt und unmöglich. (Es wurde festgestellt, dass das Problem Wellenstreuung oder „Chirp“ ist, bei dem sich die niedrigen Frequenzen schneller ausbreiten als die hohen.) Heavisides „ Telegrafie breitbandig werden zu lassen, auch über immense Distanzen. Er schuf im Alleingang Ferngespräche. Aber Preece stoppte diese Häresie schnell, indem er seine politische Macht nutzte, um eine Anti-Heaviside-Schlemmkampagne in der Presse und eine Flüsterkampagne unter Ingenieuren zu starten. Dann gab Pupin of Columbia in den USA vor, die Ladespulen von Heaviside zu erfinden, ließ sie patentieren und verdiente Millionen über Bell Telephone, während Heaviside nahezu mittellos blieb und erst nach seinem Tod berühmt wurde. (Heh, eine Tesla/Marconi-Geschichte lange vor Tesla und Marconi. Pupin spielte sogar eine große Rolle bei Teslas Untergang!) Jetzt sehen Sie also, warum ich in die Geschichte von Telegraf-ist-EM-Wellen verliebt bin. Besessen. Lass mich gar nicht erst anfangen! Ups, zu spät. :) Telegrafie breitbandig werden zu lassen, auch über immense Distanzen. Er schuf im Alleingang Ferngespräche. Aber Preece stoppte diese Häresie schnell, indem er seine politische Macht nutzte, um eine Anti-Heaviside-Schlemmkampagne in der Presse und eine Flüsterkampagne unter Ingenieuren zu starten. Dann gab Pupin of Columbia in den USA vor, die Ladespulen von Heaviside zu erfinden, ließ sie patentieren und verdiente Millionen über Bell Telephone, während Heaviside nahezu mittellos blieb und erst nach seinem Tod berühmt wurde. (Heh, eine Tesla/Marconi-Geschichte lange vor Tesla und Marconi. Pupin spielte sogar eine große Rolle bei Teslas Untergang!) Jetzt sehen Sie also, warum ich in die Geschichte von Telegraf-ist-EM-Wellen verliebt bin. Besessen. Lass mich gar nicht erst anfangen! Ups, zu spät. :) Er schuf im Alleingang Ferngespräche. Aber Preece stoppte diese Häresie schnell, indem er seine politische Macht nutzte, um eine Anti-Heaviside-Schlemmkampagne in der Presse und eine Flüsterkampagne unter Ingenieuren zu starten. 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Danke für die Antwort. Zu Beginn des gleichen Kapitels stellt der Autor den Kontext her, der sich auf die elektrische Telegrafie (Morsecode usw.) bezieht, und sagt Folgendes: „Der Raum ist die Abwesenheit eines elektrischen Stroms, der Punkt ist ein elektrischer Strom von Kurzschluss Dauer, und der Strich ist ein elektrischer Strom von längerer Dauer.“ Der Autor scheint also zu sagen, dass Telegraphensignale elektrische Ströme sind ?
Dies deutet zumindest auf die richtige Idee hin, hat aber einige problematische Aspekte. Auch „Verlust der Identität“ ist keine Physik, sondern ein ingenieurtechnisches Anwendungsproblem, das in manchen Fällen gelöst werden kann.
Mein Problem mit dieser Antwort ist, dass sie meine Frage überhaupt nicht zu beantworten scheint. Stattdessen wird nur behauptet, dass das Phänomen aufgrund der Linearität möglich ist, aber es erklärt nicht die Physik, warum es möglich ist, was der Punkt meiner Frage war. Und der Absatz, der mit "Um dies zu lösen, geben Sie die Elektronik auf und greifen Sie stattdessen auf die Physik dahinter zurück ..." beginnt, scheint die Physik, wie es überhaupt möglich ist, nicht zu erklären; Vielmehr geht es nur auf eine Tangente, die es vermeidet, meine Frage vollständig zu beantworten.
@ThePointer Der Autor hat eine falsche Vorstellung von Telegrafie oder lehrt zumindest eine "Lüge für Kinder", eine zu stark vereinfachte Beschreibung für Anfänger. Um zu verstehen, was vor sich geht, versuchen Sie, die Vorstellung zu verwerfen, dass Telegrafensignale Strömungen und keine Wellen sind. Tatsächlich können wir keinen Telegraphenschallgeber pulsieren lassen oder Geräusche in einem Telefonlautsprecher machen, Glühbirnen blinken lassen, ohne Energie zu senden und Arbeit zu verrichten. Dazu gehört die Wattleistung, die die Messung elektromagnetischer Wellen mit Lichtgeschwindigkeit auf Drähten ist. Die Punkte/Striche sind geführte EM-Wellen: Spannungs-/Stromimpulse.
@ThePointer > meine Frage überhaupt beantworten. WAHR! Es gibt keine Antwort, also ändere die Frage: "Alle Wellen verhalten sich so" gilt nicht für reine Strömungen. Aber Punkte-Striche sind Wattzahl, Volt UND Ampere, also schließen Sie Volt in die Frage ein. Oder fragen Sie dies: Wie können in einem Glasstab zwei Lichtsignale in entgegengesetzte Richtungen gehen, ohne zu interagieren? Die Antwort gilt auch für Telegrafensignale auf Doppeladern. Meine Antwort "Wellen tun das" ist nur der Anfang eines ganzen Kapitels: Kabelreflexionen und stehende Wellen, bei denen Volt-Amp-Signale auf einem langen Kreis in entgegengesetzte Richtungen gehen. Ich werde oben mehr hinzufügen.
Doh! Hybrid bereits oben erwähnt! Ich habe es zu spät bemerkt. @TemeV Sie können auch gleichzeitig Telegrafensignale in entgegengesetzte Richtungen senden. Ein einfaches Brückennetzwerk sendet Signale über die Telegrafenleitung, sendet aber zwei Löschsignale an den lokalen Telegrafen-Echolot, sodass es nicht klickt. Aber Signale, die aus der Ferne eintreffen, lassen es immer noch klicken. Alle Telefone enthalten eines dieser Wheatstone Bridge-Netzwerke. Suche: TELEFON-HYBRID. Kuriose Anwendung: Einen Lautsprecher auch während der Musikwiedergabe als Mikrofon nutzen, indem man die beiden Signalausbreitungsrichtungen trennt.
Ja, da hatte ich ein kleines Missverständnis. Ich habe zu viel mit seriellen Bussen gearbeitet, die es nicht verwenden, dass ich vergessen hatte, dass es existiert :) Ich habe meine Kommentare gelöscht, weil sie nicht korrekt waren

Andreas H erwähnte den Zirkulator für Wellenleiter. Bei analogen Telefonen wird diese Aufgabe von einer unvollkommenen Hybridschaltung namens Anti Sidetone Induction Coil (ASTIC) erledigt. Eine perfekte Hybridspule würde Sprache gleichzeitig und separat senden und empfangen, dh das Signal von Ihrem Sender würde durch die Drähte zum Empfänger am anderen Ende wandern und das Signal vom entfernten Sender würde auf demselben Drahtpaar zu Ihrem Empfänger wandern. Es wurde früh erkannt, dass die Menschen sich selbst sprechen hören müssen, damit ASTIC einen Teil des Signals vom lokalen Sender zum lokalen Empfänger durchlässt.

Innerhalb eines lokalen analogen Vermittlungsbereichs wäre die Schaltung zwei Drähte von einem Telefon über die Relais in der Vermittlung zum anderen Telefon. Sobald Sie beginnen, zwischen den Vermittlungsstellen zu reisen, wird das Signal durch eine Hybridspule an der Vermittlungsstelle geteilt, und die Sprache in einer Richtung wird auf einem anderen Stromkreis übertragen als die Sprache in der anderen Richtung (4-Draht-Verbindungsschaltung). Dadurch konnte die Sprache verstärkt werden, da Verstärker unidirektional sind (nur in eine Richtung). An der Fernvermittlung würden die beiden getrennten Pfade durch eine Hybridspule neu kombiniert, und der letzte Zweig des Anrufs würde auf einem Adernpaar verlaufen.

Die Sprache auf analogen Telefonen und Vermittlungsstellen lag bei 300 Hz bis 3400 Hz, also handelt es sich um niederfrequente EM-Wellen.

Wenn Sie jedoch Strom übertragen, entweder Wechselstrom oder Gleichstrom, haben wir keine unterschiedlichen Ströme, die im selben Kabel unterschiedliche Wege gehen. Beispielsweise müssen die Energieversorgungsunternehmen in einem bestimmten Bundesstaat einen Prozentsatz „grüner“ Energie liefern, verfügen jedoch nicht über ausreichende „grüne“ Erzeugungsressourcen, sodass sie die Energie außerhalb des Bundesstaats kaufen. Gleichzeitig verkaufen sie überschüssige nicht-grüne Energie außerhalb des Staates. Wenn sie Energie über dieselbe Verbindung (Drähte) kaufen und verkaufen, gibt es keine zwei konkurrierenden Stromflüsse, die auf derselben Leitung in entgegengesetzte Richtungen fließen. Wenn Staat A 500 MW Kapazität von Staat B kauft und Staat B 400 MW Kapazität von Staat A kauft, gibt es einen Stromfluss von 100 MW von Staat B nach Staat A. Die Buchhaltung könnte 500 MW und 400 MW lauten, aber die elektrische Realität ist 100 MW.

Sie stören.

Elektrische Signale breiten sich wie Wellen auf Wasser durch Leitungen aus. und wenn sich zwei Wellen treffen, entsteht Interferenz .

Da die Drähte jedoch linear sind, nimmt die Interferenz die Form einer Addition an und zerstört daher nicht die Informationen. Wenn Sie also wissen, welches der Signale ist, können Sie das andere Signal durch Subtraktion finden.

Telefonleitungen verwenden (gebraucht?) eine als Hybrid bezeichnete Schaltung , die die eingehenden und ausgehenden Signale isoliert, sodass eine einzelne Kupferleitung Sprachsignale in beide Richtungen übertragen kann.

Der Telegraph verwendete wahrscheinlich etwas Ähnliches, bei dem der Sender sein eigenes Signal von dem subtrahierte, was er auf der Leitung sieht, sodass er gleichzeitig mit der Übertragung seines eigenen Signals feststellen konnte, was vom anderen Ende ankam.

Das ist nicht richtig. Die sich gegenläufig ausbreitenden Wellen stören überhaupt nicht. Beides lässt sich zu jedem Zeitpunkt und Raum ideal wiedergewinnen. Das Gerät, das dies tut, ist ein Zirkulator.
Vielleicht verwenden Sie eine andere Definition von stören? Ein Zirkulator ist ein Mikrowellen-Hybrid.
Vielleicht: Meine Definition von Interferenz ist, dass die Amplitude der Welle(n) an bestimmten Positionen im Raum (vielleicht vollständig) gedämpft wird. Dies ist bei sich vorwärts und rückwärts ausbreitenden Wellen nicht der Fall. Mit dem Hybrid hast du recht.
Ich verwende die Definition auf der Wikipedia-Seite der Intererfance, die Signale addieren sich einfach, ohne dass etwas verloren geht.
Dies ist die richtige Antwort. Beachten Sie, dass der Strom jeweils nur in eine Richtung fließt (wobei die Richtung durch die Spannung bestimmt wird, die jeder Sender an sein Ende legt); und das Buch, auf das verwiesen wird, handelt von Informationstheorie und nicht von Elektronik (und gibt wahrscheinlich Informationstheorie richtig und Elektrik / Elektronik völlig falsch).
@ThePointer "interferieren miteinander" unterscheidet sich von "Interferenzmuster". Zwei getrennte Bedeutungen von interferieren. Wenn ein Signal aufgrund nichtlinearer Wechselwirkungen ein anderes dauerhaft zerhackt, ist das "interferieren[1] miteinander", wobei "interferieren[1]" bedeutet, die Signalinformationen zu zerstören oder zumindest zu verändern. Andererseits ist eine stehende Welle ein Interferenz[2]-Muster, bei dem ein Signal ein anderes nicht zerstört, es nicht stört[1]. Antennenmuster und Doppelspaltbeugung sind Interferenzen[2]. Die Aktionen von Mixern und Modulatoren sind die andere Art von Interferenz[1].
@AndreasH., die eigentliche Definition von Interferenz ist, dass sich die momentanen Spannungen summieren. Destruktive Interferenz tritt auf, wenn eine Sinuskurve eine Sinuskurve mit identischer Amplitude und Frequenz und einer Phasendifferenz von 180 Grad stört. Die Resultierende hat eine Amplitude von Null (weil die Momentansumme immer Null ist). Auch konstruktive Eingriffe sind möglich. Genau das passiert bei einer Übertragungsleitung.
Ich würde sagen, Überlagerung ist keine Interferenz, wie einige in den Kommentaren zu implizieren scheinen. Wenn das die Definition von Interferenz wäre, dann wäre alles Interferenz, sogar Wellen unterschiedlicher Frequenz (was eindeutig nicht der Fall ist). Der entscheidende Punkt, den ich als Interferenz bezeichnen würde, ist, dass die Amplitude (!) der resultierenden Welle an einem bestimmten Punkt im Raum gedämpft wird. Dies impliziert auch, dass an diesen Stellen im Raum Informationen verloren gehen. Ein typisches Beispiel ist die Mehrwegeausbreitung bei der Funkübertragung, die an bestimmten Stellen "schlechten" Empfang und an anderen "guten" Empfang verursacht....
@AndreasH., Mehrwegsignalverschlechterung verursacht manchmal destruktive Interferenz des Trägers (was Interferenz ist), kann aber auch Intersymbolinterferenz verursachen (was vielleicht nicht dasselbe ist, aber immer noch als Interferenz bezeichnet wird). Aber vielleicht haben Sie Recht damit, dass ich Überlagerung und Interferenz verwechsele.

Sie schrieben:

Wie kommt es, dass zwei elektrische Ströme gleichzeitig auf demselben Draht in entgegengesetzte Richtungen fließen können, ohne sich gegenseitig zu stören?

aber der Originaltext sagt:

Zwei Telegrafensignale können gleichzeitig auf derselben Leitung in entgegengesetzte Richtungen laufen, ohne sich gegenseitig zu stören

Hier ist der Widerspruch: Ein Telegrafensignal und ein elektrischer Strom sind nicht dasselbe. Der elektrische Strom ist die lineare Überlagerung von Wellen, die von den Wandlern an jedem Ende auf der Leitung in Bewegung gesetzt werden. Der Strom zu einem Zeitpunkt an einem Punkt auf der Leitung kann nur einen Wert haben, aber wir können diesen Wert berechnen, indem wir den Beitrag der Wellen aus den Signalen berechnen, die an jedem Ende der Leitung angelegt sind, und sie addieren.

Betrachten Sie als einfacheres, aber direkt beobachtbares System eine Stereoanlage, die Musik in einem Raum abspielt. Ein Lautsprecher verändert nicht, wie sich die Druckwellen vom anderen Lautsprecher ausbreiten. Der Nettodruckgradient an jedem Punkt im Raum und zu jedem Zeitpunkt ist das Ergebnis der Addition der Druckwellen von jedem Lautsprecher.

Auch wenn physikalische Größen wie Strom oder Druck nur einen Wert haben können, wenn wir wissen, dass diese Größen durch eine additive Kombination von Ursachen beeinflusst werden, erlaubt das lineare Überlagerungsprinzip, das System in kleinere Teile zu zerlegen, die separat betrachtet werden können: in diesem Fall die Telegraphenstation an jedem Ende der Leitung und die von ihr erzeugten Wellen, die sich entlang der Leitung ausbreiten.

Das ist die Antwort. Es spricht genau den Fehler des OP an, ist kurz genug zum Lesen und korrekt. Besonders gut gefällt mir die Lautsprecher/Druck-Analogie.

Signale bestehen aus Wellen. Wellen gehen aneinander vorbei und sind nach dem Passieren unverändert. Elektromagnetische Wellen. Wellen auf dem Meer gehen auch aneinander vorbei (obwohl sie manchmal Auswirkungen haben, auf die ich nicht eingehen werde). "Einmischen" war eine schlechte Wortwahl des Autors. Niemand kann dir wirklich sagen warum. Aber Sie wissen bereits instinktiv, dass Wellen einander passieren können. Denken Sie nur an Licht, das gleichzeitig aus einem Fenster und durch ein Fenster scheint. Das scheint nicht verwirrend zu sein, oder?

In Ihrer Frage verwenden Sie das Wort "aktuell". Strömungen sind eine andere Sache. Strom in einem Draht ist im Grunde definiert als Ladungsfluss an einem Punkt vorbei. Dies wäre ein Nettofluss. Es macht also keinen Sinn, von Strömen zu sprechen, die irgendwie aneinander vorbeifließen.

Ich versuche zu vermeiden, über fortgeschrittenere Übertragungsleitungseffekte wie Kapazität und Induktivität zu sprechen, weil ich befürchte, dass dies das Wasser nur noch mehr trüben wird. Die Quintessenz ist, dass Signale einander passieren können und während des Passierens an der Stelle des Passierens sich gegenseitig beeinflussen. Aber nach dem Tod machen sie weiter, als ob es nie passiert wäre. Denken Sie nur an Licht, das in beide Richtungen durch ein Fenster fällt.

Es ist kein Strom, sondern ein SIGNAL, das sich in alle oder alle Richtungen ausbreitet. Deshalb muss ein Telefonhörer beim Sprechen den empfangenen Ton nicht unterbrechen, und das ist uns vertrauter als Telegrafenprotokolle.

Dies ist eine Spielerei, die als „Hybrid“ bezeichnet wird und Ihrem Ohr ein Signal präsentiert, das hauptsächlich das Signal des entfernten Telefons enthält, und ein Signal (Modulation des Stroms) entsprechend Ihrer an das Mikrofon angelegten Stimme erzeugt. Was Sie HÖREN, ist nicht der „Strom im Kabel“, der von zwei Stimmen gleichmäßig moduliert wird, sondern zu 90 % die entfernte Stimme, die Sie hören, und nur zu 10 % Ihre eigene. Ein ähnlicher Hybrid am anderen Ende der Verbindung unterdrückt den Hauptteil seiner/ihrer Stimmeingabe, sodass Ihre Stimme in diesem Telefonhörer stark gehört wird.

Der Hybrid ist eine signalerhöhende Schaltung, die sowohl auf Ihre Stimme als auch auf die Kombination zweier Stimmen (auf der Leitung) zugreifen kann und diese kombiniert, um die Botschaft aus der Ferne zu verstärken. Nichts in diesem Schema steht einem Telegrafenamt nicht zur Verfügung, das auch als Empfangsstation arbeiten kann, sogar während es sendet.

Es ist für einen drahtlosen Sender (der nicht digitalen Art), der normalerweise einen Push-to-Talk-Unterbrechungsschalter hat, NICHT leicht verfügbar. Unsere Mobiltelefone, die digitale Pakete senden, unterbrechen viel, gerade schnell genug, dass es uns selten stört, weil diese Hybridfunktion schlecht mit einem Empfänger interagiert, der während einer Übertragung überlastet wird.

Ihre Analogie ist gebrochen. Denken Sie nicht an eine Autospur, es sei denn, Sie stellen sich die Autos als Autoscooter vor, die alle zusammen sind.

Die tatsächliche durchschnittliche Gesamtgeschwindigkeit von Elektronen, die sich durch einen Draht bewegen, ist ziemlich langsam. Die Driftgeschwindigkeit von Elektronen in einem Draht beträgt typischerweise mehrere Mikrometer/Sekunde, überhaupt nicht schnell.

Was sich durch den Draht ausbreitet, wandert von Elektron zu Elektron, von Quelle zu Ziel. Dieser Vorgang geschieht sehr schnell, fast mit Lichtgeschwindigkeit. In der Autobahn-Analogie wäre es analog, das erste Auto zu treffen und jedes Auto das davor fahrende zu rammen. Obwohl sich jedes Auto insgesamt langsam bewegt, könnte sich eine Welle durch die Kette ausbreiten, vorausgesetzt, Sie können sie hart genug treffen.

Offensichtlich können sich mehrere Schallwellen gleichzeitig in mehrere Richtungen durch die Luft ausbreiten. Wenn Sie jedoch etwas laut schreien, wandert nicht unbedingt ein einzelnes Molekül direkt von Ihrem Mund zum Ohr des Zuhörers. Stattdessen überträgt das Springen zwischen Molekülen durch die Luft den Ton. Das Gleiche gilt grundsätzlich auch für elektrische Signale.

Danke für die Antwort. Aber selbst unter Verwendung dieser korrigierten Version der Analogie ist nicht klar, wie / ob sich das Signal gleichzeitig durch denselben Draht in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten kann? Unter Verwendung dieser Analogie scheint es, dass die Elektronen (Autoautos) zu jedem Zeitpunkt nur eine Signalausbreitung in eine einzige Richtung zulassen würden? Andernfalls würde man vermuten, dass Signale „unordentlich/beschädigt/gelöscht/was auch immer“ werden?
@ThePointer nicht gerade Autoscooter, sondern eher wie langgestreckte Slinkys (tm). Eine lange Elektronensäule in einem Draht kann sich wie eine lange schlaffe Feder verhalten. Sie können an beiden Enden wackeln, und Wellen werden entlang der Feder reißen. Wellen, die nach links gehen, passieren alle Wellen, die nach rechts gehen, aber nur, wenn Kräfte und Bewegungen in der Feder perfekt addieren und subtrahieren können. (Als nächstes vervollständigen Sie die Analogie, indem Sie einen Slinky als Antriebsriemen mit geschlossener Schleife verwenden, der um zwei separate Riemenscheiben geführt wird. Wenn Sie eine Riemenscheibe ruckartig bewegen, zoomt eine "Spannungs-Strom-Welle" entlang des "Drahtpaars" zur anderen Riemenscheibe. Keine perfekte Analogie , aber nah.
Eigentlich funktionieren Autoscooter auch. Nehmen wir an, dass eine logische Eins ist, wenn sich die Autoschlange einen Meter bewegt, und Null, wenn dies nicht der Fall ist. Sie können beobachten, wie sich die Autos zum Empfangen bewegen und zum Senden drücken. Wenn beide gleichzeitig treffen, bewegt sich die Linie nicht. Wenn sich die Linie nicht bewegt hat, als Sie sie getroffen haben, wissen Sie, dass Sie eine Eins erhalten haben.
Strom in einem Draht besteht aus Elektronen (Strom muss nicht aus Elektronen bestehen, aber in einem Draht sind es Elektronen). Aber das Signal ist eine elektromagnetische Welle. Die Welle bewegt sich mit relativistischen Geschwindigkeiten. Aber die Elektronen bewegen sich sehr langsam. Alle Elektronen, die am fernen Ende aus dem Draht austreten, sind nicht die gleichen, die am nahen Ende eingetreten sind.

Betrachten Sie die folgende Situation:

Nehmen wir an, wir haben ein einzelnes Adernpaar mit einer steuerbaren Spannungsquelle an einem Ende und einer steuerbaren Stromsenke am anderen. Da beide Enden das Signal des anderen Endes messen können (an der Spannungsquelle können wir Strom messen und an der Stromquelle können wir Spannung messen), können wir Informationen in beide Richtungen übertragen. Es ist kein Frequenz- oder Zeitmultiplexing beteiligt. Und es gibt keine Interferenz und wir müssen uns nicht auf die Wellentheorie berufen.

Weitere Details finden Sie in meiner Antwort auf Physics SE .

Sehr gut. A moduliert die zu sendende Spannung, während B auf die zu empfangende Spannung hört. Währenddessen moduliert B den Strom zum Senden und A hört auf den Strom zum Empfangen.

Ein Antennenkabel für eine Satellitenschüssel führt Ströme in zwei Richtungen - Ein 18-Volt-Gleichstromsignal wird vom Tuner geliefert, um das LNB im Brennpunkt der Schüssel mit Strom zu versorgen, und gleichzeitig sendet das LNB ein Signal von 4-12 GHz Zurück zum Tuner, über das gleiche Kabel.

Beide sind elektrische Ströme, aber einer ist Gleichstrom und ist flach, der andere ist Hochfrequenz und variiert.

Das liegt daran, dass jede Welle sich gegenseitig durchdringen kann. Es treten Interferenzen auf, die Wellen jedoch nicht stoppen.

Es ist, als würde man fragen, warum zwei Wellen in einem Teich einander passieren können. Wenn die Wellen völlig entgegengesetzt sind, vernichten sie sich, andernfalls schwächen sie sich gegenseitig und setzen sich fort.

„Da Telegrafendrähte linear sind, das heißt, weil Telegrafendrähte so beschaffen sind, dass sich elektrische Signale auf ihnen unabhängig voneinander verhalten, ohne miteinander zu interagieren , können zwei Telegrafensignale gleichzeitig auf derselben Leitung in entgegengesetzte Richtungen laufen, ohne sich gegenseitig zu stören ein anderer ."
Liegt der Autor falsch?
@ThePointer Sie können buchstäblich zwei Wellen nehmen und die Ströme und Spannungen jeder Welle addieren, um herauszufinden, wie die kombinierte Welle aussieht, wenn es Sie verwirrt. Was zählt als Eingriff? Jedes Ende sieht, was das andere Ende gesendet hat, aber wenn Sie in die Mitte schauen, erhalten Sie ein Durcheinander.

Viele Ingenieure und Forscher (mich eingeschlossen) haben beobachtet, dass Metallleiter ein lineares Verhalten in Bezug auf elektrische Ströme und Spannungen haben. Wie bei den meisten Materialien besteht jedoch nur über einen bestimmten Bereich ein lineares Verhalten. Hohe Stromstärken führen zu nichtlinearem Verhalten. Bei guten Leitern wie Kupfer, Silber und Gold ist der Bereich des linearen Verhaltens ziemlich groß. Diese Metalle haben einen geringen (aber nicht null) Widerstand. (Wenn Sie davon ausgehen, dass Metalle keinen Widerstand haben, erhalten Sie am Ende seltsame Vorhersagen, die nicht mit der Realität übereinstimmen.)

Bei niedriger Stromdichte gibt es im Metall viele Freiräume, in die sich Elektronen bewegen können, und sie stoßen nicht sehr oft aneinander oder bleiben hängen. so wird nicht viel Energie vom Metall absorbiert und das Verhalten erscheint linear (die Autoscooter stehen weit auseinander)

Wenn die Stromdichte im Metall hoch genug wird, überträgt der Strom erhebliche Energie auf das Metall, wodurch sich sein Widerstand ändert, und das Verhalten wird nichtlinear. Ein einfaches Beispiel ist das Einhaken eines dünnen Drahtes (z. B. 28 Gauge) über die Anschlüsse einer großen 12-V-Autobatterie. Das Metall wird heiß, schmilzt schließlich und unterbricht den Stromkreis. Dies ist ein SEHR nichtlineares Verhalten. Dieses Kabel trägt wahrscheinlich 50 Ampere oder so. (Versuchen Sie dies NICHT selbst - Sie können herumfliegende Metallstücke bekommen, die Brände und schwere Augenschäden verursachen können.) Andererseits, wenn ich zwei Signale mit jeweils 0,001 Ampere auf denselben Draht lege (bevor ich ihn schmelze). , Verhalten wird ziemlich linear sein.

Dieser Typ wedelt mit dem Arm, um einen existenzielleren Punkt zu machen. Es funktioniert im Prinzip, aber nicht wie er sagt. Und mit Signal, nicht Strom .

Verdammt, sogar im Radio können zwei Sender die gleichzeitige Nutzung blockieren und tun dies auch . Hören Sie dies bei 1:25. Dieses "Booooop" bedeutet, dass beide Flugzeuge "ihre" Startfreigabe bestätigen, aber aufeinander treten, damit mindestens eines nicht gehört wird.

Wenn Sie ein DC-Telegrafensystem verwenden, das gleiche Problem. Wenn eine der Telegrafentasten gedrückt wird, werden beide Schallgeber aktiviert. Es ist wirklich nicht möglich, DC-Signale in der DC-Domäne in entgegengesetzte Richtungen zu senden (außer über einen CSMA-CD-Stil, indem gewartet wird, bis die andere Person fertig ist, und vorsichtig ist, wenn zwei Personen gleichzeitig starten).

Stellen Sie sich jedoch vor, dass die Telegrafenstation 1 Gleichstrom überträgt und die Telegrafenstation 2 ihren Schallgeber über eine Wechselstrom-Sperrdrossel angeschlossen hat. Station 2 sendet, indem sie 1000-Hz-Wechselstrom ein- und ausschaltet, was nur Station 1 hören kann, da ihr Schallgeber einen Kondensator in der richtigen Größe hat, der 1000-Hz-Wechselstrom durchlässt, aber Gleichstrom blockiert.

Sie können dies auf mehrere Wechselstromfrequenzen erweitern, indem Sie "Bandpass" -Filter verwenden, die nur eine bestimmte Frequenz durchlassen. Betrachten Sie den Bah-Boo-BEEP-Ton, der die Feuerwache in der Fernsehserie Chicago Fire begrüßt . Diese Show ist eine große Hommage an eine Show aus den 1970er Jahren namens Emergency , dem Ursprung der Töne. Emergency porträtiert ein Brandmeldesystem aus den 1960er Jahren, bei dem mehrere Frequenzen auf genau diese Weise verwendet wurden.

Zwei gleichzeitig sendende Stationen erzeugen einfach einen Akkord auf dem Draht. Die Frequenzen müssen geschickt gewählt werden, damit sich die Akkorde nicht gegenseitig stören.

Alle Stationen hören alle Signale. Sie ignorieren einfach "ihr eigenes Dogfood", dh das Signal, das sie aussenden.

Es kann komplexer werden, wenn Trägerwellen moduliert werden. An dieser Stelle sprechen wir über Funkfrequenzen, aber über ein Kabel .

Wie kommt es, dass zwei elektrische Ströme gleichzeitig auf demselben Draht in entgegengesetzte Richtungen fließen können, ohne sich gegenseitig zu stören?
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