Apakah saya gila mempertanyakan bahwa hanya dengan jalur tertutup elektron dapat bergerak?

Pertama-tama izinkan saya menyatakan bahwa saya tidak merasa cukup percaya diri untuk memberi tahu siapa pun tentang bagaimana sirkuit listrik bekerja atau apa pun tentang fisika di belakang mereka karena saya tidak tahu atau mengerti semuanya.

Tetapi saya telah berkali-kali membaca bahwa harus ada jalur tertutup agar arus mengalir dalam rangkaian, yang mengarah pada fakta bahwa jika tidak ada loop konduktif tertutup tidak ada yang bisa terjadi.

Dan saya menganggap itu sebagai kebenaran yang pasti, tetapi saya bertanya-tanya tentang sesuatu (dan saya mungkin sangat jauh dari jalan nalar di sini).

Jika saya mendesain papan sirkuit yang berisi jejak di mana sinyal frekuensi sangat tinggi (arus) akan mengalir maka saya harus mempertimbangkan hal-hal seperti pantulan sinyal, saya tidak tahu pantulan apa yang terdiri dari istilah-istilah fisik murni (tetapi saya harus bayangkan bahwa sinyal yang dipantulkan adalah sejumlah arus yang semula dikirim melalui jejak) tetapi tampaknya jika saya mengirim sinyal frekuensi tinggi ke bawah jejak (atau kawat) maka dalam kondisi tertentu sinyal dapat bergerak ke bawah melacak (kawat) hanya untuk memantul dari sesuatu dan kemudian melakukan perjalanan kembali ke tempat asalnya. Di mana ia mungkin memantul dari sesuatu lagi dan sehingga ia bisa memantul ke sana kemari sepanjang jejak semakin lama semakin kecil dan semakin kecil sampai mati.

Ini hanya hal-hal dari atas kepala saya, hal-hal yang saya tidak pernah mendapatkan pemahaman yang adil sejak awal. Tetapi jika kita membatasi skenario pada situasi frekuensi yang sangat tinggi ini, jika suatu sinyal atau arus dapat dipantulkan kembali ke arah asalnya, mengapa itu harus relevan apakah ada loop tertutup atau tidak.

Tidak bisakah loop yang rusak menghadirkan jalur untuk arus seperti itu untuk memantul masuk?

Saya tahu bahwa saya berada pada tingkat pemahaman yang relatif sangat rendah tentang masalah-masalah rumit ini tetapi saya tidak mengerti mengapa itu tidak mungkin. Saya akan sangat senang jika ada yang bisa mencerahkan saya.

Saya memiliki satu hipotesis tunggal tanpa apa pun yang pernah mendukungnya, tetapi mungkin skenario frekuensi sangat tinggi mengubah cara jejak tembaga digunakan sehingga dalam beberapa hal adalah loop tertutup di dalamnya sendiri?

Anda sepenuhnya benar.

Aturan "loop tertutup" berasal dari penyederhanaan yang sering kita gunakan dalam analisis rangkaian yang disebut "model komponen terpusat". Model ini memberikan pendekatan yang baik untuk perilaku rangkaian aktual di DC dan frekuensi rendah, di mana efek dari induktansi parasit, kapasitansi dan kecepatan cahaya dapat diabaikan.

Namun, faktor-faktor ini menjadi signifikan pada frekuensi tinggi dan tidak dapat lagi diabaikan. Setiap rangkaian ukuran bukan nol memiliki induktansi dan kapasitansi, dan mampu memancarkan (atau menerima) gelombang elektromagnetik. Inilah mengapa radio bekerja sama sekali.

Setelah Anda mulai mempertimbangkan kapasitansi parasit, Anda akan menemukan bahwa semuanya terhubung ke hampir semua hal lain (lebih banyak ke objek di dekatnya), dan ada loop tertutup di mana Anda biasanya tidak berharap untuk menemukannya.

Menanggapi judul Anda:

Apakah saya gila mempertanyakan bahwa hanya dengan jalur tertutup elektron dapat bergerak?

Arus biasanya berjalan dalam lingkaran. Namun, loop tidak harus seluruhnya terbuat dari konduktor (yaitu, tembaga). Arus adalah aliran muatan. Oleh karena itu, semua fenomena fisik berikut mewakili arus:

• Elektron mengalir dalam kawat tembaga
• Ion (yang diisi daya) bergerak di antara elektroda baterai (atau kapasitor elektrolitik)
• Elektron terbang melalui vakum (yaitu, katup termionik, tabung sinar katoda)
• Dan, last but not least, perpindahan saat ini

Yang terakhir menjawab pertanyaan "bagaimana arus dapat melewati dielektrik kapasitor?". Ringkasan singkatnya adalah bahwa muatan yang terakumulasi pada satu pelat kapasitor Anda akan mendorong muatan pada pelat lainnya, dan memberikan ilusi bahwa elektron mengalir melalui dielektrik topi, padahal sebenarnya tidak. Satu piring terisi dengan elektron, sementara yang lain semakin terkuras elektron.

... * Ya tentu saja! Anda dapat memiliki arus yang tidak bergerak dalam loop: cukup tembak berkas elektron ke ruang angkasa, dengan kecepatan yang cukup untuk melarikan diri dari tata surya. Jelas, ini tidak berlaku untuk desain elektronik sehari-hari.

Juga, ia memiliki kekurangan: Anda hanya memiliki sejumlah elektron untuk ditembak ... dan semakin banyak elektron yang "ditembakkan" oleh senjata Anda, semakin bermuatan positif itu, membuat pengiriman elektron semakin sulit.

Sedangkan sirkuit Anda yang biasa, yaitu loop, mendaur ulang elektron yang sama (jika DC) atau hanya menggoyangkannya (AC), dan akan berjalan selama baterai / pembangkit listrik tenaga nuklir / sel surya memiliki energi yang tersedia.

Aturan # 1. Tidak ada yang namanya sirkuit terbuka kecuali di bawah kondisi tunak DC .

Di antara setiap kawat, setiap bagian, dan bahkan setiap atom, ada kapasitansi, resistansi, dan induktansi pada beberapa kawat, bagian, dan atom lainnya. Mungkin mikroskopis, itu ada. Bahkan di dalam kawat atau bagian itu sendiri.

Namun, jika rangkaian yang Anda uji berada dalam kondisi DC stabil, kapasitansi dan induktansi tidak menghadirkan beban, hanya hambatannya, dan itu cukup tinggi untuk tidak menjadi masalah. Agar arus mengalir dalam "Sirkuit" itu, ia harus memiliki jalur dari titik awal ke titik akhir.

Aturan # 2. Tidak ada kondisi DC Steady State.

Kami berenang di sekitar lautan gelombang elektromagnetik. Dengan demikian, rangkaian DC keadaan tunak sebenarnya tidak mungkin dicapai. Selanjutnya setiap arus di sirkuit Anda menghasilkan medan elektromagnetik itu sendiri yang berinteraksi satu sama lain DAN dengan bidang-bidang luar. Akan selalu ada apa yang kami sebut "noise" di sirkuit Anda.

Aturan # 3: Semakin cepat Anda memodulasi tegangan / arus, semakin banyak jalur sirkuit potensial yang perlu Anda khawatirkan

Sirkuit kecil tak kasat mata yang saya sebutkan dalam Aturan # 1 memiliki impedansi yang berubah karena frekuensi yang Anda coba lewati meningkat. Dengan demikian semakin tinggi kita semakin kita harus berurusan dengan efek aneh seperti kehilangan sinyal, refleksi, dan emisi kebisingan untuk menyebutkan beberapa.

Untung:

Sebagian besar kita dapat mengabaikan sebagian besar efek ini karena, pada frekuensi yang Anda gunakan, mereka menghasilkan sedikit gangguan.

Rangkaian AC 60Hz pada dasarnya bekerja sama dengan diagram sirkuit menunjukkan jika koneksi tidak panjang. Kita dapat dengan aman membuat pernyataan berani bahwa rangkaian harus lengkap agar arus mengalir karena arus yang sebenarnya mengalir pada dasarnya tidak cukup terukur.

Namun, jika Anda mencoba untuk melewati sinyal 100GHz di sirkuit yang sama, Anda akan menemukan angka-angkanya tidak lagi masuk akal.

Adapun loop yang rusak ... Lihat Aturan # 1

Apakah Anda gila mempertanyakan itu?

Tidak, sebenarnya cukup sebaliknya. Itu selalu baik untuk berpikir mendalam dan mengajukan pertanyaan seperti itu. Namun, jawabannya dapat mengantar Anda ke sana.

Konsep yang mungkin membantu Anda adalah konsep saluran transmisi. Saluran transmisi yang ideal adalah yang memiliki impedansi karakteristik, dan penundaan tetap. Pikirkan saluran transmisi sebagai jejak pada papan sirkuit. Penundaan disebabkan karena ketika tegangan diterapkan di satu sisi saluran, ada penundaan sebelum dapat dideteksi di ujung saluran. Semoga ini masuk akal. Apa sebenarnya jejaknya, adalah memungkinkan medan listrik untuk merambat ke saluran ke beban. Lapangan hanya dapat bergerak dengan kecepatan cahaya, tidak lebih cepat. Jadi ada periode waktu ketika bidang telah diterapkan, tetapi beban belum merasakannya. Hmmm.

Jadi, apa impedansi karakteristiknya? Mari kita menyebutnya sebagai Z. Ketika tegangan (V) pertama kali diterapkan pada input saluran transmisi, arus yang mengalir adalah fungsi dari Z. Tidak masalah apa yang ada di ujung lain saluran. Mungkin itu adalah sirkuit terbuka atau arus pendek atau induktor atau kapasitor. Anggap saja itu sirkuit terbuka. Terlepas dari ini, arus yang mengalir ke saluran transmisi akan menjadi V / Z SAMPAI medan listrik merambat hingga ujung saluran mencerminkan, dan kembali ke sumbernya. Dalam arti tertentu, medan listrik menginterogasi garis dan beban, dan ketika sampai pada akhirnya, sebuah refleksi muncul kembali yang membawa informasi tentang beban kembali ke sumbernya. Refleksi yang kembali dari ujung garis dapat mencerminkan kembali ketika sampai ke sumber,

Jadi, bagaimanapun, Anda benar untuk berpikir bahwa arus dapat mengalir ke "sirkuit terbuka." Tentu saja, ketika ini terjadi, atau ketika itu signifikan, artinya adalah Anda perlu meningkatkan model rangkaian Anda untuk memperhitungkan saluran transmisi atau kapasitansi parasit ini atau apa pun. Teori jalur transmisi menyediakan cara untuk melakukan ini.

Kasus khusus dari saluran transmisi adalah ketika beban di ujung persis sama dengan impedansi karakteristik saluran. Ini bisa menjadi kasus jika jejak PCB memiliki resistor yang terhubung di ujungnya, dan ujung resistor lainnya menuju ke GND. Ketika ini terjadi, jika nilai resistor sama dengan Z, sebenarnya tidak ada refleksi. Jadi, arus yang mengalir ke garis hanyalah I = V / Z. Karena tidak ada refleksi yang kembali, arus terus menjadi V / Z. Sekarang mari kita pertimbangkan refleksi.

Ketika akhir baris tidak diakhiri dalam Z, akan ada beberapa refleksi. Refleksi itu berperilaku persis sama dengan medan listrik asli yang melintasi garis, kecuali bahwa ia kembali ke sumbernya. Jika sumber diakhiri dengan resistor bernilai Z, maka pantulan akan sepenuhnya terserap di sumbernya. Dengan kata lain, jika impedansi sumber adalah Z, pantulan dari beban akan sepenuhnya diserap, sama seperti jika beban adalah Z, tidak akan ada pantulan kembali ke arah sumber.

Tetapi jika baik beban maupun sumbernya tidak diakhiri dalam Z, maka refleksi secara teoritis akan berlanjut selamanya, memantul ke depan dan ke belakang. Tentu saja di dunia nyata, pantulan akan mati karena semacam kehilangan energi. Jika tidak ada yang lain, resistansi non-nol dari kawat tembaga akan menyebabkan kerugian.

Saya harap Anda bisa mendapatkan sesuatu dari ini. Efek saluran transmisi mungkin sulit untuk berasimilasi pada awalnya, terutama jika Anda tidak memiliki informasi latar belakang lainnya. Jadi saya mencoba menjelaskannya dengan cara yang agak intuitif yang saya harap akan membantu Anda.

Antena adalah "sirkuit terbuka" jika Anda melihatnya dengan cermat. Ketika berbicara tentang arus bolak-balik, terutama AC frekuensi radio, konduktor bukan komponen yang diidealkan tetapi berinteraksi dengan lingkungannya. Jika Anda berbicara tentang refleksi, Anda berbicara tentang sifat-sifat konduktor yang tidak sepadan dengan sifat-sifat koneksi langsung dalam diagram sirkuit.

Ada sirkuit aktual yang dibangun hanya menggunakan semacam pengaturan konduktor etsa-a-sketsa pada PCB. Banyak sirkuit dan filter gelombang mikro tidak mengandung lebih dari pengaturan konduktor yang, sehubungan dengan ruang kosong di antaranya, sebenarnya sesuai dengan komposisi induktivitas dan kapasitas yang kompleks.

Bila dilihat pada frekuensi yang jauh lebih rendah termasuk DC, seluruh rangkaian gelombang mikro mungkin hanya satu atau dua konduktor, seperti halnya antena yang dilihat pada frekuensi yang jauh lebih rendah daripada frekuensi operasinya hanyalah koneksi terbuka.

Di mana jalur tersembunyi / parasit ini penting?

Pertimbangkan penggabungan dari ANDA ke beton di bawah lantai: spasi 1 cm, luas 0,1 meter x 0,3 meter, konstanta dielektrik --- gunakan yang ada di udara (1,000002 atau tutup).

Begitu? Sekarang sentuh transformator neon-tanda, 50.000 volt pada 60Hz (377 radian / detik). DV / dT = 50.000 (puncak diasumsikan) * d (sin (60Hz) / dT) = 50.000 * 377 ~~~ 20 Juta volt per detik.

Apa yang ada dalam dirimu? I = C * dV / dt = 36 e-12 * 20e + 6 = 700 microAmps.

Anda ingin menghindarinya. Bahkan jika tidak ada sirkuit yang jelas tertutup.

Sebenarnya, elektron melayang ke arah yang berlawanan dengan aliran arus. Agar arus mengalir (dan energi bergerak), Anda memerlukan perbedaan potensial (tegangan) di titik awal dan titik akhir. Perhatikan bahwa elektron juga bergerak di dalam atom, di kulit orbital, tetapi tidak ada yang tahu caranya; mungkin mereka berputar-putar.

Itu tidak benar, meskipun seperti banyak aturan itu adalah perkiraan yang baik dan berguna ketika diterapkan pada keadaan yang sesuai (sirkuit DC, sirkuit listrik AC frekuensi rendah, di mana kita terutama tertarik pada transfer daya listrik).

Elektron selalu bergerak, kecuali pada nol absolut (yang tidak dapat Anda jangkau). Naikkan gain pada amplifier apa pun yang cukup tinggi, dan bahkan dengan inputnya yang hati-hati disaring dari pengaruh eksternal, desisan (audio) atau sinyal acak lainnya akan menjadi jelas. Ini adalah elektron yang berdesak-desakan di sirkuit input di bawah pengaruh suhu sekitarnya.

Penyimpanan muatan pada kapasitor benar-benar mendasar untuk elektronik solid-state modern. Keadaan logika adalah paket elektron yang terperangkap. Dalam perangkat memori flash, tegangan tinggi menggerakkan elektron melalui penghalang isolasi yang biasanya ke pelat kapasitor dan gerbang transistor efek medan. Ketika tegangan tinggi dilepas, elektron tetap tinggal selama bertahun-tahun (atau lebih lama), dan ada tidaknya mereka dapat ditentukan oleh apakah transistor melakukan. Memang, itu biasa untuk mengukur jumlah elektron (yang menentukan tegangan di gerbang dan karenanya tingkat output transistor) dan mengukurnya menjadi satu dari delapan level, sehingga menyimpan tiga bit sebagai salah satu dari delapan jumlah elektron dalam satu transistor.

Sirkuit ini akhirnya ditutup, ketika elektron-elektron ini bocor sebagai akibat dari kebisingan termal dan kuantum "tunneling". Seperti disebutkan di atas, ini membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk terjadi kecuali sel ditulis ulang dengan menerapkan kembali tegangan tinggi.