¿Por qué un conductor simple comienza a emitir ondas EM cuando transporta una señal?

Entiendo que en las trazas de la placa de circuito con un reloj, si los armónicos más altos tienen suficiente potencia, se generan ondas electromagnéticas de las trazas que crean EMI. Lo que no entiendo es ¿por qué sucede esto en primer lugar?

¿Por qué una corriente de alta frecuencia tiene que pasar a través del conductor para que emita radiación EM y por qué esto no sucede con corrientes de baja frecuencia? Lo que entiendo es que la traza de la placa está empezando a comportarse esencialmente como una antena en este caso, pero no sé el motivo.

La pregunta de seguimiento ...

pero lo que no entiendo es por qué el flujo de electrones que son entidades físicas resultan en la emisión de estas ondas EM

¿Por qué ocurre la "radiación"?

Miremos esto específicamente, porque es una preocupación común (y excelente).

Aquí hay un cable simple, conectado instantáneamente a una fuente de voltaje:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

En este momento, la diferencia de potencial entre el extremo izquierdo del cable (adyacente a la fuente) y la tierra es de 1 voltio.

El otro extremo del cable todavía está en tierra (diferencia 0) porque la fuerza electromotriz (voltaje) de la fuente aún no se ha propagado al otro extremo del cable.

A medida que pasa el tiempo, aumenta el voltaje en el cable:

^{simular este circuito}

Los electrones en el conductor están siendo acelerados por el campo eléctrico (la energía potencial de la fuente se convierte en energía cinética en los electrones).

Cuando los electrones llegan al final *, no pueden continuar físicamente, ¡no hay más conductor para propagarse!

... pero estas cargas tienen impulso en la dirección del cable (por ejemplo, hay energía cinética).

Cuando las cargas se detienen abruptamente al final del cable, la ley de conservación de energía requiere que esta energía "vaya a algún lado", ¡no puede simplemente desaparecer!

La respuesta es la radiación . La energía deja el extremo del cable en forma de onda electromagnética.

* Cabe señalar que los mismos electrones que comienzan a moverse en un extremo del cable no son necesariamente los mismos electrones que alcanzan el otro extremo del cable, pero esto no es material para nuestra discusión.

Las consecuencias

Muchas cosas buenas se caen de esto. Por ejemplo, podría pensar que el cable en nuestro ejemplo está compuesto de infinitos cables más pequeños. Para cada uno de estos, el mismo comportamiento sería válido (razón por la cual se produce radiación en toda la longitud).

También puede ver por qué la radiación resulta de un cambio en el campo electromagnético (por ejemplo, de un cambio en la corriente).

Puedes entender cómo funcionan las antenas lineales. En nuestro ejemplo, ahora imagine que justo en el momento en que el voltaje alcanza su punto máximo en el otro extremo, cambiamos la fuente a 0.0V. Ahora tendría la misma imagen pero volteada (1.0V a la derecha, 0.0V a la izquierda) y el proceso comenzaría nuevamente.

Siga repitiendo este proceso y los electrones estarían corriendo sin parar de un lado a otro (en toda la longitud del cable). Esa es una antena lineal perfecta ("radiador").

Si el cable fuera demasiado corto, habría menos movimiento y si fuera demasiado largo, habría demasiado. El voltaje seguirá aumentando más abajo en el cable a medida que reduce el voltaje en la sección cercana (resultados de interferencia, que es difícil de visualizar con solo estas simples figuras).

Ahora puedes intuir el comportamiento de rastreo ...

Lo que entiendo es que la traza de la placa está empezando a comportarse esencialmente como una antena en este caso, pero no sé el motivo.

A bajas frecuencias (en realidad, bajas velocidades de borde en circuitos "digitales"), los electrones tienen tiempo para llegar al final del cable antes de que la fuente se encienda y se les pida a los electrones que regresen. Esto se llama un "elemento agrupado".

El voltaje en cada extremo del cable es básicamente siempre el mismo. Este es el comportamiento que enseñamos a los estudiantes introductorios de electrónica (un cable es una superficie equipotencial = mismo voltaje en todas partes).

A medida que aumenta la frecuencia, tienen cada vez menos tiempo para realizar el disparo y ya no se puede garantizar que el voltaje en cada extremo del cable sea siempre el mismo que se muestra en las figuras anteriores.

En el diseño de placas de circuito, no necesita preocuparse demasiado por la radiación de los elementos agrupados. Una aproximación simple es:

1. Encuentre el tiempo de aumento más rápido (1 / velocidad de borde) en su señalización = Tr
2. Encuentre la frecuencia máxima contenida en este borde = f
3. Mantenga las pistas en un orden de magnitud más corto que la longitud de onda correspondiente

Es decir:

donde c_m es la velocidad de la luz en el medio (típicamente para un cobre sobre FR-4 PCB c_m es aproximadamente 1.5e8).

En lugar de un riguroso tratamiento matemático, aquí hay una explicación algo agitada:

Cualquier cable tiene un campo magnético a su alrededor (perpendicular a la longitud del cable) cuando hay una corriente que fluye a través de él. Sin embargo, el lanzamiento eficiente de una onda electromagnética también requiere una caída de voltaje (campo E) en ángulo recto con el campo M (a lo largo de la longitud del cable).

A bajas frecuencias, la única caída de voltaje se debe a las pérdidas I ² R en el cable, y esto generalmente no es muy significativo. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia, tienes dos efectos que entran en juego. Primero, las pérdidas de I ² R comienzan a aumentar como resultado del "efecto de piel" en el cable. Segundo, el tiempo de propagación finito de una señal a lo largo del cable significa que los extremos del cable tienen diferentes voltajes a medida que cambia la señal. Este segundo efecto se vuelve particularmente significativo cuando la frecuencia de la señal se eleva al punto donde 1/4 de longitud de onda coincide con la longitud del cable.

Todas las señales de CA emiten radiación EM desde sus conductores, pero la eficiencia de este proceso depende mucho de la relación entre la longitud de onda de la señal y la longitud de la antena. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas y se irradian más eficientemente a partir de la longitud de las trazas que se encuentran en una PCB normal.

Si tiene un cable conectado a su dispositivo, por ejemplo, un cable de alimentación o de audio, parece una antena más larga que puede emitir un rango de frecuencias más bajo.

Aquí hay una foto que podría ayudar:

La imagen muestra una antena parabólica, pero simplemente es una antena como un cable o un rastro en una PCB, PERO recuerde, la antena está diseñada para emitir eficientemente a una frecuencia particular, mientras que las pistas y los cables pueden "resonar" en varias longitudes de onda. .

Cerca del cable / antena / traza / antena, se producen campos eléctricos y campos magnéticos que almacenan energía al igual que los inductores y condensadores: estos campos (cerca de la antena) no irradian muy lejos. Observe que en la imagen, las líneas punteadas se superponen e intersectan entre sí: la imagen intenta representar una "incompatibilidad" entre los campos E y M. Estoy buscando la palabra correcta para usar aquí ... Pensé "incoherencia" pero tal vez no, tal vez haya una palabra mejor que incompatibilidad.

A medida que la distancia aumenta hacia el equivalente de aproximadamente 1 x longitud de onda, si la antena es eficiente, las partes E y M comienzan a "alinearse" en el tiempo, es decir, sus amplitudes aumentan y disminuyen juntas. Antes de eso (en el campo cercano) hay una cacofonía de desalineación que se debe principalmente a la L y C de la antena: los campos E y M no están alineados en el tiempo y, de hecho, los campos E y M alrededor de la antena pueden estar desalineado aparentemente casi al azar.

A medida que aumenta la distancia Y si la antena es buena para hacer su trabajo, en lo que se conoce como el campo lejano, se producen ondas EM adecuadas. ¡Todavía es un fenómeno muy misterioso para mí!

Como saben, una corriente constante a través de un cable está rodeada por un campo magnético, cuya fuerza es proporcional a la corriente. Probablemente también esté familiarizado con el mecanismo de inducción; Un campo magnético cambiante crea un campo eléctrico. Por extensión, una corriente cambiante da lugar a un campo eléctrico fuera del cable, una propiedad que a menudo se usa para transferir energía entre dos bobinas conductoras. La magnitud de este campo eléctrico está determinada por la tasa de cambio de la corriente y, por lo tanto, la frecuencia.

Un campo magnético cambiante no solo genera un campo eléctrico, sino que también funciona al revés. En un electroimán, se usa un campo eléctrico alterno para producir un campo magnético. Alrededor del cable, en lo que es aproximadamente 'espacio libre' (sin corrientes ni cargas), los dos campos están creando nuevas generaciones alrededor del otro todo el tiempo, aunque en realidad no son tan discretos como sugiere esta explicación. Las nuevas generaciones siguen impulsando el frente de onda. Esta es la onda electromagnética.

A pesar de la aparente simplicidad de las ecuaciones involucradas, el cálculo de la propagación de campos electromagnéticos está bastante avanzado incluso para las geometrías idealizadas más simples, pero es fácil inducir a partir del conocimiento del mecanismo (y matemáticamente a partir de la derivada del tiempo en las ecuaciones de Maxwell) que la intensidad de Las ondas EM alrededor de un cable están relacionadas con la frecuencia de su corriente, ya que el cambio en la corriente causó la onda. Los conductores que transportan corrientes de baja frecuencia también irradian, pero solo ligeramente.