¿Por qué las leyes fundamentales de los circuitos se descomponen en AC de alta frecuencia?

44

Recién estamos comenzando toda la escena de RF después de haber tratado con CC y CA de baja frecuencia para todos nuestros cursos anteriores.

Entiendo que a CA de alta frecuencia, las leyes fundamentales de los circuitos ya no se aplican y los modelos de componentes pasivos clásicos deben cambiarse. La justificación de esto fue que con la transmisión de CA de alta frecuencia, la longitud de onda se vuelve mucho más pequeña y, a veces, puede ser más pequeña que el cableado en los PCB, etc.

Entiendo que este es un problema cuando se transmite a través del espacio libre con ondas electromagnéticas, pero ¿por qué se trata de un problema con los cables físicos y los PCB que son alimentados por una fuente de CA? Quiero decir que es una conexión directa, no estamos usando ondas electromagnéticas para propagarse a través del espacio libre y, por lo tanto, la longitud de onda y otras cosas no deberían importar ¿verdad?

ac high-frequency AlfroJang80
fuente

10

En DC, un inductor ideal es un corto y un condensador ideal es un abierto. En el límite "de CC a la luz del día", un inductor ideal es abierto y un condensador ideal es corto. Si abre un osciloscopio Tektronix diseñado para los límites superiores del rendimiento de GHz, podrá ver las rutas conductoras formadas por una serie de bandas capacitivas y bloques conductores formados por lo que parece una simple traza.

jonk

99

La ola lleva tiempo para llegar al otro extremo del cable, ¿no te parece? Si tiene un cable de un año de luz y conecta una batería a un extremo, tendrá que pasar al menos un año antes de que la batería se dé cuenta de que no hay nada conectado al otro extremo. Y en ese momento su batería se descargará en un circuito aparentemente abierto.

user253751

3

@EricDuminil También se comportan de la forma en que los construyes.

user253751

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@immibis: así es como suelo medir la impedancia de mis cables coaxiales infinitamente largos.

PlasmaHH

2

"no estamos usando ondas electromagnéticas para propagarse a través del espacio libre" es técnicamente incorrecto, incluso si no tiene la intención de usarlas de esa manera, si tiene cables físicos y CA de alta frecuencia, entonces esa propagación a través del espacio libre está sucediendo si lo quieres o no.

Peteris

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En realidad, se trata de las olas. Incluso cuando se trata de CC, todo se gestiona mediante los campos eléctricos y magnéticos y las ondas.

Las "leyes fundamentales" no se están rompiendo. Las reglas que ha aprendido son simplificaciones que ofrecen respuestas precisas bajo ciertas condiciones: aún no ha aprendido las leyes fundamentales. Está a punto de aprender las leyes fundamentales después de haber utilizado las simplificaciones.

Parte de las condiciones asumidas para las reglas simplificadas es que el circuito es mucho más pequeño que la longitud de onda de las señales involucradas. En esas condiciones, puede suponer que una señal está en el mismo estado a través del circuito. Eso lleva a muchas simplificaciones en las ecuaciones que describen el circuito.

A medida que las frecuencias se hacen más altas (o los circuitos son más grandes) de modo que el circuito es una fracción apreciable de la longitud de onda, esa suposición ya no es válida.

Los efectos de la longitud de onda en el funcionamiento de los circuitos eléctricos primero se hicieron evidentes a bajas frecuencias pero con circuitos muy grandes: líneas telegráficas.

Cuando comienza a trabajar con RF, alcanza longitudes de onda tales que el tamaño de un circuito que se encuentra en su escritorio es una fracción apreciable de la longitud de onda de las señales utilizadas.

Entonces, comienzas a tener que prestar atención a cosas que antes podrías ignorar convenientemente.

Las reglas y ecuaciones que ahora está aprendiendo también se aplican a circuitos más simples y de baja frecuencia. Puedes usar las cosas nuevas para resolver los circuitos más simples, solo tienes que tener más información y resolver ecuaciones más complicadas.

JRE
fuente

Los efectos parásitos de materiales imperfectos, insignificantes en LF, morderán al ingeniero de HF.

amI

53

La ciencia de la escuela primaria también nos muerde: las ideas equivocadas de que la electricidad es un tipo separado de energía, que los electrones = energía, o que los electrones viajan a la velocidad de la luz, como dijeron la Sra. Frizzle y Bill Nye. En realidad, todos los circuitos son guías de ondas, la energía viaja hacia afuera como campos EM, la energía del circuito son ondas de radio ELF y los electrones solo se mueven ligeramente a medida que las ondas de energía se propagan a través de nuestros circuitos. Las antenas Xmit no cambian la electricidad a campos EM, ya eran campos EM; La "electricidad" fue fotones todo el tiempo: incluso los circuitos de CC manejan la energía de las ondas de los campos EM.

wbeaty

Básicamente, nos han enseñado el camino equivocado todo el tiempo.

AlfroJang80

3

@ AlfroJango80: No al revés en absoluto. Aprendiste una simplificación que funciona para muchas cosas. Es lo suficientemente simple como para que pueda trabajar con él de inmediato y lo suficientemente preciso como para ser útil.

JRE

@wbeaty En una corriente continua, los electrones viajan, aunque ciertamente << c. Pero tiene razón en que todavía es una onda, ya que siempre hubo un voltaje de arranque que no era de CC, por lo que la FourierTransform en todo momento tiene componentes de frecuencia.

Carl Witthoft

26

\nabla \cdot E = 4 π ρ

$\nabla \cdot \mathbf{E} = 4\pi\rho$

\nabla \cdot B = 0

$\nabla \cdot \mathbf{B} = 0$

\nabla \times E = - \frac{1}{c} \frac{\partial B}{\partial t}

$\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{1}{c} \frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}$

\nabla \times B = \frac{1}{c} (4 π J + \frac{\partial E}{\partial t})

$\nabla \times \mathbf{B} = \frac{1}{c}\left( 4\pi\mathbf{J} + \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}\right)$

Siempre han sido las leyes fundamentales de EM, pero a frecuencias más bajas, encontramos que resolver esas ecuaciones diferenciales multidimensionales es bastante difícil y no tan beneficioso para respaldar nuestra comprensión del circuito. No querrá tener que invocar la simetría para resolver adecuadamente una ecuación de propagación a lo largo de un cable si la diferencia neta entre un cable corto de 18 ga y un cable largo de 0000 es 0.0000001% con respecto a los comportamientos que le interesan.

En consecuencia, las personas ya han integrado estas ecuaciones para casos simples, como cables a bajas frecuencias, y encontraron las ecuaciones que se les dieron en clases anteriores. Bueno, más precisamente, primero encontramos estas ecuaciones, luego encontramos las ecuaciones de Maxwell a medida que avanzamos más en EM, y luego finalmente mostramos que las ecuaciones originales eran consistentes con las de Maxwell.

Personalmente, me parece mejor explorar esto con el ejemplo. Me gustaría tomar un ejemplo del famoso tomo: El arte del diseño digital de alta velocidad (subtítulo: Un manual de magia negra). En su introducción, señalan la importancia de las opciones de tipo de condensador. Ellos hacen la extraordinaria afirmación de que a altas velocidades, un condensador puede parecer un inductor porque sus cables son dos cables paralelos. Los alambres paralelos tienen una inductancia.

$\frac{-1}{\omega C}$ $\omega L$ $\frac{-1}{\omega C} + \omega L = \frac{\omega^2 CL - 1}{\omega C}$ $\omega^2CL \ll 1$

Del mismo modo, a altas frecuencias, se hace más difícil ignorar el hecho de que los cables emiten radiación EM. A bajas frecuencias, este efecto es trivial, pero a altas frecuencias, se puede disipar una gran cantidad de energía en el cable.

Cort Ammon
fuente

Cort, cuando la respuesta de @ τεκ sea votada más, votaré esto.

robert bristow-johnson

26

Porque se violan los supuestos requeridos por el modelo de elementos agrupados . El modelo de elementos agrupados es lo que le permite analizar dispositivos como resistencias conectadas por nodos, sin tener en cuenta el diseño físico de los dispositivos y el circuito.

El modelo de elementos agrupados supone:

El cambio del flujo magnético en el tiempo fuera de un conductor es cero.

\frac{\partial ϕ_{B}}{\partial t} = 0

${\frac {\partial \phi _{B}}{\partial t}}=0$

El cambio de la carga en el tiempo dentro de los elementos conductores es cero.

\frac{\partial q}{\partial t} = 0

${\frac {\partial q}{\partial t}}=0$

La longitud característica (el "tamaño" de los nodos y dispositivos) es mucho menor que la longitud de onda de la señal de interés.

L_{c} << λ

$L_c << \lambda$

τεκ
fuente

No sé por qué esta respuesta no es la que está en la parte superior del montón. responde directa y correctamente la pregunta raíz.

robert bristow-johnson

99

Estoy de acuerdo, pero en lugar de simplemente enumerar estas ecuaciones sin explicación, me hubiera encantado ver cómo las ecuaciones de Kirchoff salen de las ecuaciones de Maxwell. El Capítulo 2.3 de "Ingeniería de microondas planar de Tom Lee" hace un trabajo bastante bueno en esto.

divB

Esta es una excelente respuesta al punto, aunque no define los modelos complejos del LEM cuando se violan las reglas, pero otras respuestas cubren este problema.

Sparky256

Cuando el modelo tradicional de circuito de elementos agrupados no funciona a altas frecuencias, agrego más grumos para simular las líneas de transmisión continuas de un modelo de elementos finitos.

richard1941

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Hay muchas respuestas complicadas (y correctas) aquí. Agregaré una analogía simple: piense en disparar una pistola:

a 10 cm de distancia, el tiempo de desplazamiento de la bala es solo la distancia / velocidad y el punto de golpe está en la línea idéntico al hacha del cañón
a 10 m de distancia, verá, que la bala alcanzó el objetivo más bajo, ya que la gravedad lo empujó un poco hacia abajo y tiene que ajustar su puntería.
a 20 m necesita ajustar más, ya que la gravitación lo afecta más
a 100 m ves, que incluso con la gravitación contada, no cabe. ¿Por qué? Sí, hay aire y la bala también se ralentiza. También vemos que la bala está haciendo todo lo demás, que solo vuela en línea recta, ya que la rotación combinada con su velocidad vertical comprime el aire en un lado y las balas están bailando allí. También podemos ver que probablemente no sea totalmente homogéneo, lo que agrega a su movimiento otro factor
a 1000 m podemos ver que todavía hay algo más: sí, la Tierra está girando y también cuenta
así que vaya más alto, donde no terminaría su vuelo en el suelo tan rápido, diga en órbita y dispare allí, nuevamente hay más para contar, también nos olvidamos de la gravedad de la luna
Y a una distancia aún mayor, vemos que no solo hay gravedad del Sol, sino también la luz que sale del Sol, que también la empuja un poco y todas esas partículas eléctricamente activas que producen pequeñas corrientes en él y campos mágicos ...
y en trazas extremadamente largas (como las interestelares) también la gravedad de otras galaxias (no sorprendentemente), pero nuestro bulled tiene tiempo para cambiar su estructura interna, ya que incluso el plomo se está rompiendo extremadamente lentamente en otros elementos químicos por la desintegración de la radiactividad

Bueno, ahora es súper complicado, así que volvamos a la distancia de 10 cm al inicio: ¿eso significa que la fórmula tiempo = distancia / velocidad no funciona? ¿O no funciona nuestra fórmula supercomplicada final?

Bueno, ambos funcionan, ya que todos esos elementos que agregamos lentamente a nuestros cálculos todavía están presentes, solo en una distancia tan corta la diferencia es tan pequeña que ni siquiera podemos medirla. Y así podemos usar nuestra fórmula "simple", que no es totalmente exacta, pero en algunas condiciones razonables damos resultados exactos razonables (digamos 5 decimales) y podemos aprenderlo rápidamente, aplicarlo rápido y obtener resultados, lo cual son correctos (a 5 decimales) en la escala que es interesante para nosotros.

Lo mismo ocurre con DC, AC lenta, frecuencias de radio, frecuencias ultra altas ... cada siguiente es una versión más exacta de la anterior, cada anterior es una versión especial de la siguiente en una situación en la que las pequeñas diferencias son tan pequeñas que podemos descartarlos y obtener un resultado "suficientemente bueno".

gilhad
fuente

44

@ gilhad Esta respuesta debería requerir lectura y estudio para todos los estudiantes de EE.

analogsystemsrf

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Quiero decir que es una conexión directa, no estamos usando ondas electromagnéticas para propagarse a través del espacio libre y, por lo tanto, la longitud de onda y otras cosas no deberían importar ¿verdad?

Esa es una suposición muy equivocada . Las señales siguen siendo ondas EM y siguen siendo ondas EM, si se propagan a través del espacio libre o un conductor. Las leyes siguen siendo las mismas.

En las conexiones (cables) en el orden de la longitud de la longitud de onda, ya no puede utilizar el enfoque de "elemento agrupado". El enfoque de "elemento agrupado" significa que las conexiones se consideran "ideales". Para señales de alta frecuencia a distancias del orden de la longitud de onda y mayores, este enfoque no es válido.

Entonces recuerde: las leyes EM no cambian cuando una onda EM viaja a través del espacio o un conductor, se aplican en ambos casos. Las ondas EM siguen siendo ondas EM en el espacio libre o en un conductor.

Bimpelrekkie
fuente

Bueno. Entiendo que las ondas EM todavía existen cuando se transmiten voltajes de CA a través de un cable, pero no contribuyen al flujo de corriente real correctamente (aparte de reducirlo un poco con la fem opuesta). Entonces, ¿por qué deberíamos abandonar todos nuestros modelos de baja frecuencia y CC cuando esencialmente la corriente de CA todavía fluye bien a través de ese cable? Simplemente no veo cómo la longitud de onda demasiado pequeña entra en juego cuando tenemos un cable directo de la fuente de CA y la carga.

AlfroJang80

Debería agregarse, incluso para las señales de mayor velocidad que uno podría esperar en una PCB "normal", el modelo agrupado aún es aplicable si se tienen en cuenta la capacitancia y la inductancia de toda una pista. Las distancias son pequeñas, después de todo.

Janka

44

@ AlfroJang80, una antena dipolo es solo un par de cables directos desde la alimentación hasta sus extremos abiertos. Y, sin embargo, puede transmitir y recibir señales inalámbricas de RF. En algún lugar entre un cable muy corto que no transmite ni recibe energía, y un dipolo de un cuarto de onda que transmite y recibe de manera muy eficiente, debe haber un punto medio donde los efectos de la radiación sean significativos pero no dominantes.

The Photon

3

@ AlfroJang80 Piense en una situación simple donde la "corriente" es solo "el movimiento de electrones". Si algo hace que el primer electrón en el cable comience a moverse, ¿qué hace que el siguiente, y el siguiente, y los que están a 1 km de distancia si es un cable largo, se muevan? Respuesta, el campo electromagnético alrededor de cada electrón. No olvide que un circuito simple con solo una batería, un interruptor y una resistencia no es un "circuito de CC" en el momento en que abre o cierra el interruptor, porque la corriente cambia , pero en su primer curso en el circuito de CC análisis, ignoras ese hecho.

alephzero

2

@ La corriente de AlfroJang80 es solo la mitad, y el voltaje es la otra mitad. Esa es la clave. La corriente es la parte del magnetismo de la onda EM, el voltaje es la parte de los campos e. "VI" es "EM". ¡Todos los cables son guías de onda! Pero podemos ignorar esto, si decimos que la onda EM es en realidad una "E" separada, el voltaje y "M" la corriente. Luego concéntrese solo en voltios / amperios de CC, ignore las ondas EM del circuito. Pero incluso DC es una onda a 0Hz (o a 0,0001Hz). En física de circuitos, DC no existe, y todo es en realidad ondas EM guiadas por largas filas de electrones, con toda la energía "eléctrica" viajando solo fuera de los cables. .

wbeaty

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No se descomponen, pero cuando el tiempo de subida se aproxima al 10% o es menor que el retraso de propagación a una adaptación de impedancia de carga es importante debido a esa longitud de onda. La impedancia de carga se invierte a una fuente a 1/4 de longitud de onda, ya sea conducida o radiada.

Si la carga no es una impedancia adaptada a la "línea de transmisión y fuente", se producirán reflexiones de acuerdo con algún coeficiente denominado pérdida de retorno y el coeficiente de reflexión.

Aquí hay un experimento que puede hacer para demostrar las ondas EM conducidas.

Si intenta sondear una onda cuadrada de 1 MHz en una sonda de alcance 10: 1 con el clip de tierra de 10 cm, es posible que vea una resonancia coaxial agrupada de 20 MHz. Sí, la sonda no coincide con el generador de 50 ohmios, por lo que se producirán reflexiones de acuerdo con el cable de tierra de 10 nH / cm y el cable coaxial especial de la sonda de 50 pF / m. Sigue siendo una respuesta de elemento agrupado (LC).

La reducción de la sonda 10: 1 a menos de 1 cm a solo la punta del pin y el anillo sin un clip de tierra largo, eleva la frecuencia de resonancia quizás a la limitación de la sonda y el alcance a 200 MHz.

Ahora pruebe con un coaxial 1: 1 de 1 m, que es 20 ns / m, de modo que una onda cuadrada de 20 ~ 50 MHz en un coaxial de 1 m con una sonda 1: 1 verá un reflejo en una fracción de una longitud de onda y una horrible respuesta de onda cuadrada a menos que terminado en el alcance con 50 ohmios. Esta es una reflexión de onda EM conducida.

Pero considere que una señal lógica rápida con un tiempo de subida de 1 ns puede tener una impedancia de fuente de 25 ohmios y tiene un ancho de banda> 300 MHz, por lo que el sobreimpulso puede ser un error de medición o una falta de coincidencia de impedancia real con reflejos de longitud de pista.

Ahora calcule el 5% de la longitud de onda de 300 MHz a 3e8 m / s para aire y 2e8 m / s para coaxial y vea cuáles son los tiempos de retardo de propagación que causan ecos de una carga no coincidente, por ejemplo, CMOS Z alta y pistas de 100 ohmios . Esta es la razón por la cual se necesitan impedancias controladas por lo general por encima de 20 ~ 50 MHz y esto como un efecto en el timbre o sobreimpulso o desajuste de impedancia. Pero sin esto, es por eso que la lógica tiene una zona gris tan grande entre "0 y 1" para permitir que suene algo.

Si alguna palabra es desconocida, búsquela.

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
fuente

@PeterMortensen ty

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

7

Aunque esto ha sido respondido un par de veces, me gustaría agregar el razonamiento de que personalmente me parece más revelador y está tomado del libro de Tom Lee "Ingeniería de microondas planar" (capítulo 2.3).

Como se indicó en las otras respuestas, la mayoría de las personas olvidan que las leyes de Kirchoff son solo aproximaciones que se mantienen bajo ciertas condiciones (el régimen agrupado) cuando se supone un comportamiento cuasiestático. ¿Cómo se llega a estas aproximaciones?

Comencemos con las citas de Maxwell en el espacio libre:

\nabla μ_{0} H = 0 (1) \nabla ϵ_{0} E = ρ (2) \nabla \times H = J + ϵ_{0} \frac{\partial E}{\partial t} (3) \nabla \times E = - μ_{0} \frac{\partial H}{\partial t} (4)

$\nabla \mu_0 H=0 \qquad(1) \\ \nabla \epsilon_0 E = \rho \qquad(2) \\ \nabla\times H=J+\epsilon_0 \frac{\partial E}{\partial t} \qquad(3) \\ \nabla\times E=-\mu_0 \frac{\partial H}{\partial t} \qquad(4) \\$

La ecuación 1 establece que no hay divergencia en el campo magnético y, por lo tanto, no hay monopolos magnéticos (¡cuidado con mi nombre de usuario! ;-))

La ecuación 2 es la ley de Gauss y establece que hay cargas eléctricas (monopolos). Estas son las fuentes de la divergencia del campo eléctrico.

La ecuación 3 es la ley de Ampere con la modificación de Maxwell: establece que la corriente ordinaria, así como un campo eléctrico variable en el tiempo, crea un campo magnético (y este último corresponde a la famosa corriente de desplazamiento en un condensador).

La ecuación 4 es la ley de Faradays y establece que un campo magnético cambiante causa un cambio (un rizo) en el campo eléctrico.

La ecuación 1-2 no es importante para esta discusión, pero la ecuación 3-4 responde de dónde proviene el comportamiento de la onda (y dado que las ecuaciones de Maxwell son más genéricas, se aplican a todos los circuitos, incluido DC): un cambio en E causa una posibilidad en H que provoca un cambio en E y así sucesivamente. Es los términos de acoplamiento que producen el comportamiento de las olas !

Ahora suponga por un momento mu0 es cero. Entonces el campo eléctrico está libre de rizos y puede expresarse como el gradiente de un potencial que también implica que la línea integral alrededor de cualquier camino cerrado es cero:

V = \oint E d l = 0

$V = \oint E dl = 0$

Voila, esta es solo la expresión teórica de campo de la Ley de Voltaje de Kirchhoff .

Del mismo modo, establecer epsilon0 en cero da como resultado

\nabla J = \nabla (\nabla \times H) = 0

$\nabla J = \nabla (\nabla \times H) = 0$

Esto significa que la divergencia de J es cero, lo que significa que no puede acumularse corriente (neta) en ningún nodo. Esto no es más que la Ley actual de Kirchhoff .

En realidad, epsilon0 y mu0 no son, por supuesto, cero. Sin embargo, aparecen en la definición de la velocidad de la luz:

c = \sqrt{\frac{1}{μ_{0} ϵ_{0}}}

$c = \sqrt{\frac{1}{\mu_0 \epsilon_0}}$

Con una velocidad de luz infinita, los términos de acoplamiento desaparecerían y no habría comportamiento de onda en absoluto. Sin embargo, cuando las dimensiones físicas del sistema son pequeñas en comparación con las longitudes de onda, entonces la finitud de la velocidad de la luz no es notable (de manera similar a que siempre existe dilatación del tiempo, pero no será notable para bajas velocidades y, por lo tanto, las ecuaciones de Newton son una aproximación de Teoría de la relavividad de Einsteins).

divB
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¿Por qué tan pocos votos a favor? Me gusta esta respuesta

Neil_UK

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Las señales eléctricas tardan en propagarse a través de cables (y trazas de PCB). Más lento que las ondas EM a través de un vacío o aire, siempre.

Por ejemplo, un par trenzado en un cable CAT5e tiene un factor de velocidad del 64%, por lo que la señal viaja a 0.64c, y durará aproximadamente 8 "en un nanosegundo. Un nanosegundo es mucho tiempo en algunos contextos electrónicos. ciclos en una CPU moderna, por ejemplo.

Cualquier configuración de conductores de tamaño finito tiene inductancia y capacitancia y (generalmente) resistencia, por lo que puede aproximarse utilizando componentes agrupados a un nivel de granularidad más fino. Puede reemplazar el cable con inductores y resistencias de la serie 20 con 20 condensadores al plano de tierra. Si la longitud de onda es muy corta en comparación con la longitud, es posible que necesite 200 o 2000 o ... lo que sea para aproximarse estrechamente al cable y otros métodos podrían comenzar a parecer atractivos, como la teoría de la línea de transmisión (generalmente un curso de pregrado de un semestre para EEs) .

Las "leyes" como KVL, KCL son modelos matemáticos que se aproximan a la realidad con mucha precisión en condiciones apropiadas. Leyes más generales como las ecuaciones de Maxwell se aplican de manera más general. Puede haber algunas situaciones (quizás relativistas) en las que las ecuaciones de Maxwell ya no sean muy precisas.

Spehro Pefhany
fuente

2

Las ecuaciones de Maxwell pueden modificarse (Lorentz – FitzGerald) para hacerse invariantes bajo transformaciones relativistas. Si lees alemán (como yo), entonces esta es probablemente la mejor descripción breve de las ecuaciones transformadas que puedo encontrar rápidamente. También me gusta esta .

jonk

1

Se es una onda. Lo mismo que está sucediendo aquí es lo mismo de lo que se habla cuando se menciona cómo esa "electricidad se mueve a la velocidad de la luz" a pesar de que los electrones "se mueven" mucho más lentamente. En realidad, es aproximadamente 2/3 (IIRC) la velocidad de la luz en la mayoría de los materiales conductores, es decir, aproximadamente 200 000 km / s. En particular, cuando acciona un interruptor, por ejemplo, envía una onda electromagnética por el circuito, lo que provoca que los electrones se inciten al movimiento. En ese caso, se trata de una onda "escalonada": detrás de él, el campo es alto, por delante, es cero, pero una vez que pasa, los electrones se están moviendo. Las olas se mueven en un medio a velocidades más lentas que en el espacio libre, pero aún pasan a través de los medios, por eso, después de todo, esa luz puede pasar a través del vidrio.

En este caso, la fuente de voltaje está constantemente "bombeando" de un lado a otro, y por lo tanto está creando ondas oscilantes que de la misma manera, se mueven con la misma velocidad. A frecuencias bajas, como 60 Hz, la longitud de estas ondas es mucho más larga que la escala de un solo dispositivo a escala humana, es decir, para esa frecuencia particular de aproximadamente 3000 km (200 000 km / s * (1/60 s)), frente a quizás 0.1 m (100 mm) para una PCB de mano típica, lo que significa un factor de escala de 30 000 000: 1, y por lo tanto puede tratarse como una corriente uniforme que cambia periódicamente.

Por otro lado, suba a decir 6 GHz, por lo que las aplicaciones de RF de microondas como en la tecnología de transmisión de telecomunicaciones, y ahora la longitud de onda es 100 millones de veces más corta, o 30 mm. Eso es mucho más pequeño que la escala del circuito, la onda es importante, y ahora necesita ecuaciones electrodinámicas más complejas para comprender lo que está sucediendo y el buen 'Kirchhoff ya no cortará la mostaza :)

The_Sympathizer
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1

Una respuesta más simple: porque los componentes parásitos que no se dibujan en su diagrama de circuito comienzan a desempeñar un papel:

la resistencia en serie (ESR) y la inductancia en serie de condensadores,
aumento de la resistencia de los cables debido al efecto de la piel,
la amortiguación paralela (corrientes parásitas) y la capacitancia paralela de inductores,
la capacitancia parásita entre nodos de voltaje (p. ej., entre trazas de PCB incluyendo "tierra"),
la inductancia parasitaria de los bucles actuales,
la inductancia acoplada entre bucles de corriente,
el acoplamiento de los campos magnéticos entre inductores sin blindaje, que pueden depender de la polaridad aleatoria de la colocación de componentes,
...

Este también es el tema de EMC, muy importante si desea construir circuitos que realmente funcionen en el campo.

Además, no se sorprenda si ni siquiera puede medir lo que está sucediendo. Más de un MHz más o menos se convierte en un arte conectar correctamente una sonda de osciloscopio.

StessenJ
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1

Tiene una excelente respuesta a su pregunta, por lo que no reiteraré lo que ya se ha dicho.

Intentaré dirigir sus comentarios a varias respuestas, en su lugar. Según los comentarios que publicó, parece tener un malentendido básico de las leyes físicas que rigen los circuitos.

Parece que piensa que "mover electrones en un cable" es algo que no está relacionado con las ondas EM. Y que las ondas EM solo entran en juego en ciertas situaciones o escenarios. Esto es básicamente incorrecto.

Como han dicho otros, las ecuaciones de Maxwell (ME a partir de ahora) son la clave para comprender realmente el problema. Esas ecuaciones son capaces de explicar todos los fenómenos EM conocidos por la humanidad, excepto los fenómenos cuánticos. Por lo tanto, tienen una amplia gama de aplicaciones. Pero ese no es el punto principal que quiero hacer.

Lo que debe comprender es que las cargas eléctricas (electrones, por ejemplo) generan un campo eléctrico a su alrededor solo por su propia existencia. Y si se mueven (es decir, si son parte de una corriente eléctrica) también generan un campo magnético .

Las ondas EM itinerantes (lo que la gente común suele entender como "ondas EM") son solo la propagación de las variaciones de los campos eléctricos y magnéticos a través del espacio ("vacío") o cualquier otro medio físico.

Básicamente eso es lo que dicen los ME.

Además, los ME también le dicen que cada vez que un campo varía (ya sea eléctrico o magnético), entonces "automáticamente" el otro campo surge (y también varía). Es por eso que las ondas EM se llaman electro-magnética : un (tiempo-) campo eléctrico variable implica la existencia de un campo magnético (tiempo-) variable y viceversa. No puede haber un campo E variable sin un campo M variable y, simétricamente, no puede haber un campo M variable sin un campo E variable que lo acompañe.

Esto significa que si tiene una corriente en un circuito, y esta corriente no es CC (de lo contrario, solo genera un campo magnético estático), TENDRÁ una onda EM en todo el espacio que rodea la ruta de la corriente . Cuando digo "en todo el espacio" me refiero a "todo el espacio físico", independientemente de qué cuerpos ocupen ese espacio.

Por supuesto, la presencia de cuerpos altera la "forma" (es decir, las características) del campo EM generado por una corriente: de hecho, los componentes son "cuerpos" diseñados para alterar ese campo de manera controlada.

La confusión en su razonamiento puede provenir del hecho de que los componentes agrupados están diseñados para funcionar bien solo bajo el supuesto de que los campos varían lentamente . Esto se denomina técnicamente el supuesto de campos cuasiestáticos : se supone que los campos varían muy lentamente para ser muy similares a los presentes en una situación real de CC.

Esta suposición conduce a simplificaciones drásticas: nos permite usar las leyes de Kirchhoff para analizar un circuito sin errores apreciables. Esto no significa que alrededor de los componentes y las pistas de PCB no haya ondas EM. De hecho hay! La buena noticia es que su comportamiento se puede reducir útilmente a corrientes y voltajes con el propósito de diseñar y analizar un circuito.

Lorenzo Donati apoya a Monica
fuente

1

Realmente está haciendo dos preguntas: 1) "Por qué se descomponen las leyes fundamentales del circuito" a altas frecuencias AC. 2) ¿Por qué también deberían fallar cuando se usan "cables físicos reales ..."?

La primera pregunta se ha cubierto en las respuestas anteriores, pero la segunda pregunta me lleva a creer que su mente no ha pasado de "electrones en movimiento" a ondas EM en movimiento, lo cual abordaré.

Independientemente de cómo se generen las ondas EM , son las mismas (aparte de la amplitud y la frecuencia). Se propagan a la velocidad de la luz y en una línea "recta" .
En el caso específico cuando son generados por cargas que fluyen en un cable , ¡la onda seguirá la dirección del cable !
En todo momento , cuando se trata de cargas en movimiento, se trata de ondas EM . Sin embargo, cuando la relación entre la longitud de onda y el tamaño del circuito es lo suficientemente alta, los efectos de segundo y mayor orden son lo suficientemente pequeños como para que, por razones prácticas, puedan ignorarse.

Espero que ahora esté claro que los cables solo sirven para dirigir las ondas EM, en lugar de cambiar su naturaleza.

Guill
fuente

¡Fantástico! Esa era exactamente mi preocupación.

AlfroJang80

Una última cosa. Entonces, a baja frecuencia de CA, los electrones se mueven hacia adelante y hacia atrás y esto genera ondas emag que se propagan. Sin embargo, debido a la baja frecuencia, la cantidad de energía contenida en estas ondas es insignificante y, por lo tanto, no importa si las tenemos en cuenta o no. En CA de alta frecuencia, estas ondas emag ahora contienen mucha más energía y debemos tenerlas en cuenta, además de recordar que las formas de onda de voltaje y corriente también se retrasarán en diferentes puntos del circuito. ¿Es eso correcto?

AlfroJang80

-1

Necesita cambiar su forma de pensar acerca de la electricidad. Piense en el concepto como un electrón que oscila en el espacio vacío. En DC, las oscilaciones empujan y desplazan electrones en el mismo vector direccional general. A altas frecuencias, los desplazamientos tienen lugar en muchas direcciones a velocidades más altas y de manera más aleatoria, y cada vez que desplazas electrones sucede algo, y el uso de las ecuaciones enumeradas aquí y en los libros de texto ayuda a modelar lo que sucederá. Cuando estás diseñando, estás tratando de hacer un modelo e identificar patrones de lo que está sucediendo y usarlo para resolver problemas.

CPU doble E
fuente

¿Por qué las leyes fundamentales de los circuitos se descomponen en AC de alta frecuencia?

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