Sono pazzo a chiedermi che solo gli elettroni possono muoversi solo con un percorso chiuso?

Prima di tutto, lasciatemi solo dire che non mi sento abbastanza sicuro di dire a nessuno qualcosa su come funzionano i circuiti elettrici o qualcosa sulla fisica dietro di loro perché semplicemente non so o capisco tutto.

Ma ho letto molte volte che deve esserci un percorso chiuso affinché la corrente scorra in un circuito, portando a un fatto che se non c'è un circuito conduttivo chiuso non può succedere nulla.

E l'ho considerata una verità definitiva, ma mi chiedo qualcosa (e potrei anche essere terribilmente lontano dal percorso della ragione qui).

Se dovessi progettare un circuito che contenga tracce attraverso le quali fluiranno segnali ad alta frequenza (correnti), allora dovrei considerare cose come le riflessioni del segnale, non so in cosa consistano le riflessioni in termini puramente fisici (ma devo immagina che un segnale riflesso sia una certa quantità della corrente (e) originariamente inviata attraverso la traccia) ma apparentemente se invio un segnale ad alta frequenza lungo una traccia (o filo), in determinate condizioni il segnale può viaggiare lungo il traccia (filo) solo per rimbalzare fuori da qualcosa e poi viaggiare fino al punto da cui proviene. Dove potrebbe rimbalzare di nuovo da qualcosa e così può rimbalzare avanti e indietro percorrendo la lunghezza della traccia più e più volte diventando sempre più piccola fino a quando non si estingue.

Questa è solo roba dalla cima della mia testa, roba di cui non ho mai acquisito una buona comprensione in primo luogo. Ma se limitiamo lo scenario a questa situazione di frequenza molto elevata, se un segnale o una corrente possono essere riflessi verso dove è arrivato, allora perché dovrebbe anche essere rilevante se ci sia un circuito chiuso o no.

Un circuito interrotto non potrebbe presentare percorsi per far rimbalzare tali correnti?

So di avere un livello relativamente basso di conoscenza di queste complesse questioni, ma ora non so perché ciò non sarebbe possibile. Sarei molto felice se qualcuno potesse illuminarmi.

Ho un'unica ipotesi senza nulla che lo sostenga così tanto, ma forse lo scenario ad altissima frequenza altera il modo in cui viene utilizzato un rame di traccia in modo che in qualche modo sia un circuito chiuso in se stesso?

Hai perfettamente ragione.

La regola del "circuito chiuso" deriva da una semplificazione che usiamo spesso nell'analisi dei circuiti chiamata "modello a componenti raggruppati". Questo modello fornisce una buona approssimazione al comportamento effettivo del circuito a corrente continua e basse frequenze, in cui è possibile ignorare gli effetti dell'induttanza parassita, della capacità e della velocità della luce.

Tuttavia, questi fattori diventano significativi alle alte frequenze e non possono più essere ignorati. Qualsiasi circuito di dimensioni diverse da zero ha induttanza e capacità ed è in grado di irradiare (o ricevere) un'onda elettromagnetica. Ecco perché la radio funziona affatto.

Una volta che inizi a considerare le capacità parassite, scoprirai che tutto è collegato praticamente a tutto il resto (dal moreso agli oggetti vicini) e ci sono anelli chiusi dove normalmente non ti aspetteresti di trovarli.

In risposta al tuo titolo:

Sono pazzo a chiedermi che solo gli elettroni possono muoversi solo con un percorso chiuso?

Le correnti di solito * viaggiano in loop. Tuttavia, i circuiti non devono essere interamente realizzati con conduttori (ad es. Rame). La corrente è un flusso di carica. Pertanto, tutti i seguenti fenomeni fisici rappresentano la corrente:

• Elettroni che scorrono in un filo di rame
• Ioni (che vengono caricati) che si spostano tra gli elettrodi di una batteria (o di un condensatore elettrolitico)
• Elettroni che volano attraverso il vuoto (cioè valvole termioniche, tubo a raggi catodici)
• E, ultimo ma non meno importante, la corrente di spostamento

L'ultimo risponde alla domanda "come può una corrente passare attraverso il dielettrico di un condensatore?". Un breve riassunto è che le cariche che si accumulano su una piastra del condensatore spingono via le cariche sull'altra piastra e danno l'illusione che gli elettroni scorrano attraverso il dielettrico del cappuccio, mentre in realtà non lo sono. Una piastra si sta riempiendo di elettroni, mentre l'altra si sta prosciugando di elettroni.

... * Sì, naturalmente! Puoi avere correnti che non viaggiano in loop: basta sparare un fascio di elettroni nello spazio profondo, con una velocità sufficiente per sfuggire al sistema solare. Ovviamente, questo non è applicabile al design elettronico di tutti i giorni.

Inoltre, ha uno svantaggio: hai solo un certo numero di elettroni da sparare ... e più elettroni la tua "pistola" spara via, più carica positiva diventa, rendendo l'invio di elettroni progressivamente più difficile.

Considerando che il tuo solito circuito, che è un circuito, ricicla gli stessi elettroni (se DC) o li fa semplicemente oscillare (AC) e funzionerà finché la batteria / la centrale nucleare / la cella solare disporranno di energia.

Regola n. 1. Non esiste un circuito aperto se non in condizioni stazionarie CC .

Tra ogni filo, ogni parte e persino ogni atomo, vi è capacità, resistenza e induttanza rispetto ad altri fili, parti e atomi. Per quanto microscopico, è lì. Anche all'interno del filo o parte stessa.

Tuttavia, se il circuito che si sta testando è in uno stato CC stabile, la capacità e l'induttanza non presentano alcun carico, solo la resistenza lo fa e questo è abbastanza alto da non importare. Perché la corrente fluisca in quel "Circuito", deve avere un percorso dal suo punto iniziale al suo punto finale.

Regola n. 2. Non esistono condizioni come DC Steady State.

Stiamo nuotando in un mare di onde elettromagnetiche. Come tale, un circuito DC a stato stazionario è in realtà impossibile da raggiungere. Inoltre ogni corrente nel tuo circuito sta producendo il proprio campo elettromagnetico che interagisce tra loro E con quei campi esterni. Ci sarà sempre quello che chiamiamo "rumore" nel tuo circuito.

Regola n. 3: più velocemente moduli una tensione / corrente, maggiori sono i potenziali percorsi dei circuiti di cui devi preoccuparti

Quei piccoli circuiti invisibili che ho citato nella Regola n. 1 hanno impedenze che cambiano quando le frequenze che stai cercando di superare aumentano. Di conseguenza, più andiamo avanti e più dobbiamo fare i conti con strani effetti come la perdita di segnale, i riflessi e l'emissione di rumore per citarne solo alcuni.

Per fortuna:

Per la maggior parte possiamo eliminare la maggior parte di questi effetti perché, alle frequenze che stai usando, producono poco disturbo.

Un circuito CA a 60Hz funziona sostanzialmente come lo schema indica se i collegamenti non sono lunghi. Possiamo tranquillamente affermare in grassetto che il circuito deve essere completo affinché la corrente scorra perché la corrente che sta effettivamente scorrendo non è fondamentalmente abbastanza misurabile per essere importante.

Tuttavia, se si sta tentando di trasmettere un segnale a 100 GHz sullo stesso circuito, i numeri non avranno più senso.

Per quanto riguarda i loop interrotti ... Vedi regola n. 1

Sei pazzo a metterlo in discussione?

No, in realtà piuttosto il contrario. È sempre bene pensare in profondità e porre domande del genere. Tuttavia, le risposte potrebbero portarti lì.

Un concetto che potrebbe aiutarti è il concetto di linea di trasmissione. La linea di trasmissione idealizzata è una con un'impedenza caratteristica e un ritardo fisso. Pensa alla linea di trasmissione come una traccia su un circuito. Il ritardo è causato perché quando viene applicata una tensione su un lato della linea, c'è un ritardo prima che possa essere rilevato alla fine della linea. Speriamo che abbia senso. Ciò che fa realmente la traccia è consentire a un campo elettrico di propagarsi lungo la linea fino al carico. Il campo può viaggiare solo alla velocità della luce, non più velocemente. Quindi c'è un periodo di tempo in cui il campo è stato applicato, ma il carico non lo ha ancora sentito. Hmmm.

Quindi, qual è l'impedenza caratteristica? Facciamo riferimento ad esso come Z. Quando una tensione (V) viene applicata per la prima volta all'ingresso di una linea di trasmissione, la corrente che scorre è strettamente una funzione di Z. Non importa ciò che si trova all'altra estremità della linea. Forse è un circuito aperto o un corto circuito o un induttore o condensatore. Supponiamo che sia un circuito aperto. Nonostante ciò, la corrente che fluisce nella linea di trasmissione sarà V / Z FINO A quando il campo elettrico si propaga fino alla fine della linea si riflette, e ritorna alla sorgente. In un certo senso, il campo elettrico sta interrogando la linea e il carico, e quando arriva alla fine, ritorna un riflesso che riporta le informazioni sul carico alla fonte. Il riflesso che ritorna dalla fine della linea può riflettersi di nuovo quando arriva alla fonte,

Quindi, comunque, hai ragione a pensare che la corrente possa fluire in un "circuito aperto". Ovviamente, quando ciò accade o quando è significativo, ciò che significa è che è necessario migliorare il modello del circuito per tenere conto di queste linee di trasmissione o capacità parassite o altro. La teoria della linea di trasmissione offre un modo per farlo.

Un caso speciale di una linea di trasmissione è quando il carico all'estremità è esattamente uguale all'impedenza caratteristica della linea. Questo potrebbe essere il caso se una traccia PCB ha una resistenza collegata ad essa alla fine e l'altra estremità della resistenza va su GND. Quando ciò accade, se il valore del resistore è uguale a Z, in realtà non c'è riflessione. Quindi, la corrente che scorre nella linea è semplicemente I = V / Z. Poiché non viene restituito alcun riflesso, la corrente continua a essere V / Z. Consideriamo ora le riflessioni.

Quando la fine della linea non termina in Z, ci sarà qualche riflessione. Quella riflessione si comporta esattamente allo stesso modo del campo elettrico originale che viaggia lungo la linea, tranne per il fatto che sta tornando verso la sorgente. Se la sorgente è terminata con una resistenza di valore Z, la riflessione sarà completamente assorbita dalla sorgente. In altre parole, se l'impedenza della sorgente è Z, la riflessione dal carico sarà completamente assorbita, proprio come se il carico è Z, non ci sarà alcuna riflessione verso la sorgente.

Ma se né il carico né la sorgente sono terminati in Z, teoricamente la riflessione continuerà per sempre, rimbalzando avanti e indietro. Naturalmente nel mondo reale, la riflessione si estinguerà a causa di una sorta di perdita di energia. Se non altro, la resistenza diversa da zero del filo di rame provocherà perdite.

Spero che tu sia in grado di ottenere qualcosa da questo. All'inizio può essere difficile assimilare gli effetti della linea di trasmissione, soprattutto se non si dispone di altre informazioni di base. Quindi ho cercato di spiegarlo in un modo un po 'intuitivo che spero ti possa aiutare.

Un'antenna è un "circuito aperto" se la si guarda da vicino. Quando si parla di corrente alternata, in particolare di radiofrequenza CA, i conduttori non sono componenti idealizzati ma interagiscono con l'ambiente circostante. Se stai parlando di riflessioni, stai parlando di proprietà del conduttore che non sono commisurate alle proprietà di connessioni semplici in uno schema circuitale.

Esistono circuiti reali realizzati utilizzando un tipo di disposizione dei conduttori di tipo etch-a-sketch su un PCB. Molti circuiti e filtri a microonde non contengono altro che una disposizione di conduttori che, in connessione con lo spazio libero in mezzo, corrisponde effettivamente a una complessa composizione di induttività e capacità.

Se visto a frequenze molto più basse, incluso DC, l'intero circuito a microonde può essere solo uno o due conduttori, proprio come un'antenna vista a frequenze molto più basse rispetto alle sue frequenze operative è solo una connessione aperta.

Dove contano questi percorsi nascosti / parassiti?

Prendi in considerazione l'accoppiamento da TE al calcestruzzo sotto il pavimento: distanza di 1 cm, area di 0,1 metri per 0,3 metri, costante dielettrica --- usa quella dell'aria (1,000002 o vicino).

Così? Ora tocca un trasformatore per insegne al neon, 50.000 volt a 60Hz (377 radianti / secondo). Il dV / dT = 50.000 (picco assunto) * d (sin (60Hz) / dT) = 50.000 * 377 ~~~ 20 Milioni di volt al secondo.

Qual è la corrente attraverso di te? I = C * dV / dt = 36 e-12 * 20e + 6 = 700 microAmps.

Lo vuoi evitare. Anche se non esiste ovviamente un circuito chiuso.

A rigor di termini, gli elettroni si spostano nella direzione opposta a quella del flusso corrente. Affinché la corrente scorra (e l'energia si sposti), è necessaria una differenza di potenziale (tensione) tra i punti di inizio e fine. Si noti che gli elettroni si muovono anche all'interno degli atomi, in gusci orbitali, ma nessuno sa davvero come; forse vanno in giro in cerchio.

Semplicemente non è vero, sebbene come molte regole sia una buona e utile approssimazione quando applicato alle circostanze appropriate (circuiti CC, circuiti di rete CA a bassa frequenza, dove siamo principalmente interessati al trasferimento di energia elettrica).

Gli elettroni si muovono sempre , tranne lo zero assoluto (che non è possibile raggiungere). Aumenta il guadagno su qualsiasi amplificatore abbastanza in alto, e anche con il suo ingresso attentamente schermato da qualsiasi influenza esterna, apparirà un sibilo (audio) o un altro segnale casuale. Questi sono gli elettroni che si agitano nei circuiti di ingresso sotto l'influenza della sua temperatura ambiente.

La conservazione della carica sui condensatori è assolutamente fondamentale per la moderna elettronica a stato solido. Gli stati logici sono pacchetti intrappolati di elettroni. In un dispositivo di memoria flash, un'alta tensione spinge gli elettroni attraverso una barriera normalmente isolante su quella che è effettivamente la piastra di un condensatore e la porta di un transistor ad effetto di campo. Quando l'alta tensione viene rimossa, gli elettroni rimangono fissi per anni (o più) e la loro presenza o assenza può essere determinata dal fatto che il transistor conduca. In effetti, è comune misurare una quantità di elettroni (che determina la tensione sul gate e quindi il livello di uscita del transistor) e quantizzarlo su uno degli otto livelli, memorizzando così tre bit come una delle otto quantità di elettroni all'interno di un singolo transistor.

Alla fine il circuito si chiude, quando questi elettroni fuoriescono a causa del rumore termico e del "tunneling" quantistico. Come accennato in precedenza, ciò richiede molti anni a meno che la cella non venga riscritta riapplicando l'alta tensione.