In che modo due correnti elettriche possono viaggiare in direzioni opposte sullo stesso filo, contemporaneamente, senza interferire l'una con l'altra?

Un'introduzione alla teoria dell'informazione: simboli, segnali e rumore , di John R. Pierce, dice quanto segue:

Mentre la linearità è una proprietà della natura davvero sorprendente, non è affatto rara. Tutti i circuiti costituiti da resistori, condensatori e induttori discussi nel capitolo I in connessione con la teoria della rete sono lineari, così come linee e cavi telegrafici. In effetti, di solito i circuiti elettrici sono lineari, tranne quando includono tubi a vuoto, o transistor o diodi, e talvolta anche tali circuiti sono sostanzialmente lineari.

Poiché i fili del telegrafo sono lineari, vale a dire perché i fili del telegrafo sono tali che i segnali elettrici su di essi si comportano in modo indipendente senza interagire tra loro, due segnali del telegrafo possono viaggiare contemporaneamente in direzioni opposte sullo stesso filo senza interferire l'uno con l'altro . Tuttavia, mentre la linearità è un fenomeno abbastanza comune nei circuiti elettrici, non è affatto un fenomeno naturale universale. Due treni non possono viaggiare in direzioni opposte sullo stesso binario senza interferenze. Presumibilmente potrebbero, tuttavia, se tutti i fenomeni fisici compresi nei treni fossero lineari. Il lettore potrebbe speculare sul lotto infelice di una razza di esseri veramente lineare.

Pensandoci da una prospettiva fisica, mi chiedevo come mai i fili del telegrafo sono lineari, nel senso che due segnali telegrafici (in altre parole, due correnti elettriche) possono viaggiare in direzioni opposte sullo stesso filo, allo stesso tempo , senza interferire l'uno con l'altro?

Pensavo ingenuamente al filo come a una strada a due corsie. In questa analogia, le auto sarebbero in grado di viaggiare in entrambe le direzioni, ma non allo stesso tempo. A quanto ho capito, nei solidi, il movimento degli elettroni produce una corrente elettrica, quindi gli elettroni sarebbero le macchine. Data la spiegazione dell'autore della linearità, cosa sta succedendo qui con gli elettroni che consentono questo flusso di corrente simultaneo a due vie?

Non ho trovato nulla sulla pagina di Wikipedia per i circuiti lineari che chiarisca questa proprietà fisica della linearità.

Gradirei molto se la gente potesse per favore prendere il tempo per chiarire questo.

PS Non ho una preparazione in ingegneria elettrica, quindi una spiegazione sostanzialmente formulata è apprezzata.

EDIT: Sulla base dei commenti del thread precedente, capisco che la mia analogia sarebbe più accurata se rappresento gli elettroni come autoscontri a doppia faccia, e quindi immagino la corsia a due vie in cui abitano piena di queste auto, in modo che i movimenti in entrambe le direzioni (corrente elettrica in entrambe le direzioni) sono rappresentati da un movimento sequenziale "spingendo / spingendo", come un'onda, che viene perpetuato da ciascuna macchina "urtando / spingendo" in quella "davanti" (nella direzione della corrente).

EDIT 2: Vedo molte risposte che mi dicono che il nocciolo del mio malinteso deriva dal fatto che presumo che la corrente e il segnale elettrici siano la stessa cosa. E queste risposte sono corrette, supponevo che la corrente e il segnale elettrici fossero la stessa cosa, perché l'autore continua a sottintendere che sono la stessa cosa nel testo (o non riesce a distinguere chiaramente tra i due)! Vedi i seguenti estratti dello stesso capitolo:

Mentre Morse stava lavorando con Alfred Vail, la vecchia codifica era stata abbandonata e quello che ora conosciamo come codice Morse era stato ideato nel 1838. In questo codice, le lettere dell'alfabeto sono rappresentate da spazi, punti e trattini. Lo spazio è l'assenza di una corrente elettrica, il punto è una corrente elettrica di breve durata e il trattino è una corrente elettrica di maggiore durata.

$$\vdots$$

La difficoltà che Morse incontrò con il suo filo sotterraneo rimase un problema importante. Circuiti diversi che conducono ugualmente bene una corrente elettrica costante non sono necessariamente ugualmente adatti alla comunicazione elettrica. Se uno invia punti e trattini troppo velocemente su un circuito sotterraneo o sottomarino, vengono eseguiti insieme all'estremità di ricezione. Come indicato nella Figura II-1, quando inviamo una breve scarica di corrente che si accende e si spegne bruscamente, riceviamo all'estremità più lontana del circuito un aumento e una caduta di corrente più lunghi e uniformi. Questo flusso più lungo di corrente può sovrapporsi alla corrente di un altro simbolo inviato, ad esempio, come assenza di corrente. Pertanto, come mostrato nella Figura II-2, quando viene trasmesso un segnale chiaro e distinto può essere ricevuto come un aumento e una caduta vagamente vaganti di corrente che è difficile da interpretare.

Naturalmente, se facciamo i nostri punti, spazi e trattini abbastanza a lungo, la corrente all'estremità seguirà meglio la corrente all'estremità di invio, ma ciò rallenta la velocità di trasmissione. È chiaro che in qualche modo è associato a un determinato circuito di trasmissione una velocità di trasmissione limitante per punti e spazi. Per i cavi sottomarini questa velocità è così lenta da disturbare i telegrafi; per i fili su pali è così veloce da non disturbare i telegrafi. I primi telegrafisti erano consapevoli di questa limitazione e anch'essa sta alla base della teoria della comunicazione.

Anche di fronte a questa limitazione della velocità, si possono fare varie cose per aumentare il numero di lettere che possono essere inviate su un determinato circuito in un determinato periodo di tempo. Un trattino impiega tre volte più tempo per essere inviato come un punto. Fu presto apprezzato che si potesse guadagnare per mezzo della telegrafia a doppia corrente. Possiamo comprenderlo immaginando che all'estremità di ricezione un galvanometro, un dispositivo che rileva e indica la direzione del flusso di piccole correnti, è collegato tra il filo del telegrafo e la terra. Per indicare un punto, il mittente collega il terminale positivo della sua batteria al filo e il terminale negativo a terra e l'ago del galvanometro si sposta verso destra. Per inviare un trattino, il mittente collega il terminale negativo della sua batteria al filo e il terminale positivo al suolo, e l'ago del galvanometro si sposta a sinistra. Diciamo che una corrente elettrica in una direzione (nel filo) rappresenta un punto e una corrente elettrica nell'altra direzione (fuori dal filo) rappresenta un trattino. Nessuna corrente (batteria scollegata) rappresenta uno spazio. Nell'attuale telegrafia a doppia corrente, viene utilizzato un diverso tipo di strumento ricevente.

Nella telegrafia a corrente singola abbiamo due elementi fuori dai quali costruire il nostro codice: corrente e nessuna corrente, che potremmo chiamare 1 e 0. Nella telegrafia a doppia corrente abbiamo davvero tre elementi, che potremmo caratterizzare come corrente diretta, oppure corrente nel filo; nessuna corrente; corrente indietro o corrente fuori dal filo; o come +1, 0, -1. Qui il segno + o - indica la direzione del flusso di corrente e il numero 1 indica l'entità o l'intensità della corrente, che in questo caso è uguale per il flusso di corrente in entrambe le direzioni.

Nel 1874 Thomas Edison andò oltre; nel suo sistema telegrafico quadruplex usava due intensità di corrente e due direzioni di corrente. Ha usato i cambiamenti di intensità, indipendentemente dai cambiamenti nella direzione del flusso corrente per inviare un messaggio, e i cambiamenti di direzione del flusso corrente indipendentemente dai cambiamenti di intensità, per inviare un altro messaggio. Se assumiamo che le correnti differiscano in modo uguale l'una dall'altra, potremmo rappresentare le quattro diverse condizioni del flusso di corrente per mezzo del quale i due messaggi vengono trasmessi contemporaneamente su un circuito come +3, +1, -1, -3. L'interpretazione di questi alla fine di ricezione è mostrata nella Tabella I.

La Figura II-3 mostra come i punti, i trattini e gli spazi di due messaggi simultanei e indipendenti possono essere rappresentati da una successione dei quattro diversi valori correnti.

Chiaramente, quante informazioni è possibile inviare su un circuito dipende non solo dalla velocità con cui si possono inviare simboli successivi (valori di corrente successivi) sul circuito, ma anche da quanti simboli diversi (valori di corrente differenti) si può scegliere tra . Se abbiamo come simboli solo le due correnti +1 o 0 o, che è altrettanto efficace, le due correnti +1 e - 1, possiamo trasmettere al ricevitore solo una delle due possibilità alla volta. Abbiamo visto sopra, tuttavia, che se possiamo scegliere uno qualsiasi dei quattro valori correnti (uno qualsiasi dei quattro simboli) alla volta, come +3 o + 1 o - 1 o - 3, possiamo trasmettere per mezzo di questi valori correnti (simboli) due informazioni indipendenti: se intendiamo uno 0 o 1 nel messaggio 1 e se intendiamo uno 0 o 1 nel messaggio 2. Pertanto, per una determinata velocità di invio di simboli successivi, l'uso di quattro valori correnti ci consente di inviare due messaggi indipendenti, ciascuno con la stessa velocità con cui due valori correnti ci consentono di inviare un messaggio. Siamo in grado di inviare il doppio delle lettere al minuto utilizzando quattro valori correnti rispetto a due valori correnti.

E questo libro di testo non presuppone alcuna conoscenza di fisica o ingegneria elettrica prerequisito, quindi sembra improbabile che i lettori siano in grado di distinguere tra corrente di segnale e corrente elettrica, soprattutto se si considera che l'autore sembra insinuare costantemente che sono gli stessi ( o non riesce, in alcun modo chiaro, a separare le due persone senza un simile background).

La spiegazione della fisica è che le guide d'onda (incluso lo spazio libero) hanno modalità ortogonali per le due direzioni di propagazione. Ciò significa che i due segnali che viaggiano in direzioni opposte non interferiranno. (Questo non è un'approssimazione, non vi sarà alcuna interferenza).

Il dispositivo che separa il segnale "trasmesso" e "ricevuto" è un circolatore . Esiste anche nel dominio ottico e può essere utilizzato per implementare la comunicazione duplex su una singola fibra ottica. Nel dominio RF può essere utilizzato per implementare la separazione dei segnali di trasmissione e ricezione su una singola antenna (contemporaneamente e alla stessa frequenza ovviamente). In pratica si usano spesso frequenze diverse per trasmettere e ricevere, principalmente per motivi tecnici. Il circolatore non ha un isolamento perfetto e la separazione non funziona così bene per i segnali ricevuti molto deboli. Ma se uno avesse un dispositivo circolatore perfetto, la disposizione funzionerebbe.

Nel vecchio sistema telefonico analogico esisteva una sola coppia di fili, ma era possibile parlare e ascoltare allo stesso tempo.

TL / DR: una spiegazione molto elementare è che uno ha tensione e corrente in un filo e che può essere usato per trasportare informazioni separate in due direzioni. Considera quanto segue:

Su un lato del filo è presente una sorgente di tensione controllabile e l'informazione da trasmettere è la tensione istantanea. Sull'altro lato del filo c'è una sorgente di corrente controllabile (o meglio "affondare"). Le informazioni da trasmettere qui sono la corrente istantanea. Chiaramente, la stazione 1 (quella con la sorgente di tensione) può leggere il segnale dalla sorgente 2 semplicemente misurando la corrente attraverso il filo. La stazione 2 può anche ricevere il segnale dalla stazione 1 misurando la tensione ai terminali della sua sorgente di corrente. Ciò dimostra che è possibile trasmettere informazioni in due direzioni contemporaneamente su una singola coppia di fili. E se dubiti che potrebbe non essere possibile collegare una sorgente / dissipatore di corrente a una sorgente di tensione. Questo è perfettamente possibile,

EDIT: Esiste anche una spiegazione elementare per le onde: un'onda di spazio libero ha un campo elettrico e magnetico oscillante (E e H). Sono orientati con un angolo di 90 ° nello spazio e hanno uno sfasamento temporale di 90 °. È + 90 ° per l'avanzamento e -90 ° per la direzione di propagazione all'indietro (può essere viceversa a seconda della scelta del sistema di coordinate o del segno di fase). Inoltre, il rapporto tra l'ampiezza del campo magnetico ed elettrico è fissato all'impedenza d'onda del mezzo (che è 377 Ohm per il vuoto). Se ora abbiamo un'onda di propagazione avanti e indietro avremo la sovrapposizione dei campi elettrici e magnetici ovunque nello spazio e nel tempo. Tuttavia è possibile una separazione ideale di entrambe le onde. In parole povere: i campi elettrici si sommeranno mentre i campi magnetici verranno sottratti (a causa dello sfasamento totale di 180 °). Poiché le ampiezze del campo E e H di ciascun componente hanno un rapporto fisso, possiamo sostituire il campo H con il campo E (o viceversa) e risolvere le due ampiezze del campo E delle onde di propagazione avanti e indietro. Ciò dimostra che è possibile la separazione ideale delle due direzioni di propagazione.

E la spiegazione molto astratta della fisica dietro questo, è - come ho scritto prima - che le modalità corrispondenti alle due direzioni di propagazione sono sempre ortogonali e i segnali non interferiscono.

nel senso che due segnali telegrafici (in altre parole, due correnti elettriche) possono viaggiare in direzioni opposte sullo stesso filo, allo stesso tempo, senza interferire tra loro

$0~V$$0~A$

Se due onde correnti viaggiano nella direzione opposta, le onde non hanno problemi a attraversarsi, proprio come due onde sonore sono in grado di viaggiare in direzioni opposte nello stesso mezzo.

(Qui, il blu viaggia a sinistra, il verde a destra e l'onda rossa ne è la sovrapposizione risultante. L'onda rossa è la distribuzione corrente / tensione che viene misurata nel filo nel tempo.)

$x^2$$x^3$$U(x, t)$$I(x,t)$

$L, C, G$$R$$x$$t$

$U$$I$$U_1(x,t)$$U_2(x,t)$

Nota a margine sulla DC:

Avere un flusso di due correnti in direzioni opposte annullerebbe i loro contributi e non darebbe corrente. In alternativa, puoi convincerti che una corrente continua (DC) non può fluire in entrambe le direzioni contemporaneamente, semplicemente dalla Legge di Ohm :

$R$$U = \varphi_2 - \varphi_1$$I = \frac{U}{R}$

Se rendiamo uguali entrambi i potenziali, non ci sarà alcuna differenza e la corrente sarà zero.

L'unico modo per far uscire una corrente ad entrambe le estremità è avere una fonte nel mezzo, il che non è molto interessante.

C'è il tuo problema: i segnali del telegrafo non sono correnti elettriche. (Potremmo anche dire che i segnali del telegrafo sono invece tensione.) Qual è corretto? Né.

Per risolvere questo, rinunciare all'elettronica e invece ricadere sulla fisica dietro di essa. In realtà i segnali del telegrafo (e persino tutti i segnali elettrici ovunque) sono in realtà energia elettrica; stessa cosa delle onde luminose e radio. I segnali sono cambiamenti e una corrente variabile comporta tensione, come la variazione di tensione che coinvolge corrente. I segnali sono i watt, non solo ampere e non solo volt.

L'energia del segnale si comporta diversamente dalle correnti nei circuiti. Mentre l'energia sfreccia attraverso un circuito, invece gli amplificatori o il flusso di carica no. Le cariche ruotano semplicemente attraverso il ciclo nel suo insieme, o forse oscillano leggermente avanti e indietro, ma la corrente non vola in avanti alla velocità della luce. Qualcosa però vola alla velocità della luce. Lo misuriamo e lo discutiamo in termini di watt o "potenza". Gli amplificatori non volano veloci, gli amplificatori sono diversi, gli amplificatori sono i movimenti lenti del "medium"; quel mare di carica trovato dentro ogni filo. Onde contro mezzo. Un po 'come le onde sonore contro il vento. La corrente elettrica è come il vento, mentre i segnali sono come le onde sonore. (E ovviamente le onde sonore sono il vento avanti e indietro! L'aria si muove, mentre le onde si propagano in avanti.)

Come possono passare due segnali indipendenti attraverso un circuito elettrico? Prima chiediti come due onde sonore indipendenti sono in grado di attraversare la stessa regione aerea. E su uno stagno, lancia due ciottoli e chiediti come si incrociano due schemi di increspature senza interagire. Perché un raggio laser non ne blocca un altro ogni volta che si incrociano? È solo qualcosa che tutte le onde possono fare, se il mezzo è lineare. In un sistema lineare, le onde possono aggiungere e sottrarre di nuovo, quindi si incrociano senza interagire. Funziona per la luce all'interno di una fibra ottica. Funziona per il suono all'interno di una canna d'organo. Funziona con cavo coassiale con impulsi che vanno in direzioni opposte e funziona con segnali telegrafici che si propagano alla velocità della luce attraverso una singola coppia, un singolo circuito.

La risposta alla tua domanda riguarda il capitolo delle onde del tuo libro di fisica. La risposta alla tua particolare domanda sui circuiti apre un intero affascinante campo di elettronica: riflessioni dei cavi e onde stazionarie sui fili.

D'altra parte, due correnti dirette non possono occupare lo stesso circuito, poiché perdono la loro identità, combinandosi per formare una somma-corrente. (Non dimenticare che ogni circuito è un induttore a un giro. Allo stesso modo, due diverse tensioni non possono occupare lo stesso condensatore! In entrambi i casi si combinano e non possono essere sottratte nuovamente.) Due correnti dirette possono occupare un singolo filo, ogni volta che quel filo è una sezione comune di due circuiti altrimenti separati. Ma lo fanno sommando per formare una terza corrente all'interno di quella sezione comune. (Ad esempio, potrebbero sottrarre corrente zero in quella sezione, se fossero uguali e opposti. Un elettrone non può effettivamente fluire in due direzioni contemporaneamente.)

Tuttavia, allo stesso tempo, due onde di energia (segnali) completamente indipendenti possono propagarsi attraverso un singolo circuito. COME? Comprende sia E che M, e questo contiene il segreto: per capirlo dobbiamo guardare entrambi i fili della coppia lunga e dobbiamo includere sia la tensione che la corrente. Non è possibile rispondere alla tua domanda finché ci concentriamo solo su singoli fili e correnti, ignorando i due fili e la tensione che li attraversa.

In un singolo circuito, la corrente è un cerchio chiuso, come un volano. Non inizia in un punto e scorre in un altro (invece va solo in senso orario, CW o forse CCW, proprio come una cinghia di trasmissione.) Una corrente in un circuito è come un volano filato, un circuito chiuso. Ma qualcosa di sicuro va a senso unico, giusto? Ogni volta che una batteria accende una lampadina, qualcosa deve passare dalla batteria alla lampadina e non tornare alla batteria. Che qualcosa non è attuale. Invece è l'energia EM, dove il flusso di energia viene misurato in termini di watt; di volt volte ampere. In un circuito a torcia, la potenza è un flusso unidirezionale veloce dalla batteria alla lampadina. Ma la corrente è molto lentaflusso circolare. Ancora una volta, il "segnale" che va dalla batteria alla lampadina è fatto di energia EM, non ampere e non elettroni.

Quindi, ecco l'inizio della tua risposta: in un singolo circuito, come possiamo sapere in quale direzione scorre l' energia elettrica ? Semplice: guarda il valore della potenza. In particolare: moltiplicare i volt tra i fili per gli amplificatori attraverso di essi. Se il risultato è positivo, allora l'energia scorre in una direzione e se è negativa, allora scorre nell'altra. Con una torcia, collegare il voltmetro e l'amperometro in modo che forniscano potenza positiva quando li moltiplichiamo insieme. Quindi, quando rimuovete la lampadina e installate invece un caricabatterie, la corrente si inverte, quindi abbiamo energia che scorre all'indietro, nella batteria. (Questa idea è critica con AC, dove se le onde V e I sono sincronizzate, l'energia fluisce continuamente in avanti, ma se V e I sono a 180 gradi, l'energia invece scorre all'indietro.)

Quindi, su un cavo lungo, con un impulso elettrico che ha una potenza positiva, l'impulso sta zoomando verso sinistra, mentre se la potenza è negativa, l'impulso sta andando a destra. Se colleghiamo e scolleghiamo improvvisamente la batteria della torcia, lanciamo un'onda di energia lungo i due fili. Viaggia alla velocità della luce e viene assorbito dalla lampadina della torcia, che si illumina. Se lasciamo la batteria continuamente collegata, allora un'onda di energia fluisce verso la lampadina, anche se non ci sono increspature. Questo è il primo concetto nell'ingegneria delle onde di base: la propagazione dell'energia elettrica attraverso i circuiti ... e l'idea che "DC" è in realtà solo "AC" a frequenza molto bassa.

Di nuovo all'inizio: come possono volare due impulsi di segnale in direzioni opposte lungo la stessa coppia di fili? (Notare che deve essere una coppia di fili con volt inclusi. Non un singolo filo.) Può verificarsi se uno degli impulsi ha una potenza positiva e va a sinistra, mentre l'altro impulso ha una potenza negativa e sta andando a destra. Un impulso potrebbe essere composto da volt positivi e amplificatori positivi, mentre l'altro impulso è composto da volt negativi e amplificatori positivi. Entrambi gli impulsi sono onde EM.

PS

Ah, vedo un altro approccio! (Ignoralo se lo desideri, dato che questo è lungo.) Supponi di avere due circuiti separati, due torce elettriche, ma poi uniamo una breve sezione di filo da ciascuna? I due circuiti hanno un pezzo di filo in comune. Interagiscono? No, perché all'interno del filo comune, le correnti si sommano e sottraggono di nuovo. Ogni batteria accende la propria lampadina in modo indipendente, poiché ogni circuito ha una propria tensione di batteria separata e una propria corrente di circuito separata. Eppure, in quel filo comune, sembra che stiano scorrendo due diverse correnti elettriche! Non lo sono, in realtà, perché una "corrente di circuito" è la corrente in un intero circuito, inclusa una batteria, una lampadina e un intero anello chiuso di conduttori. In quel filo combinato, le due correnti vengono aggiunte a un'estremità del filo, poi sottratto di nuovo all'altro. Le due onde di energia in ciascun circuito rimangono indipendenti, anche se le correnti nel loro filo comune possono aggiungere e sottrarre.

Questo ci mostra che la risposta alla tua domanda originale non può coinvolgere un singolo filo. Si può rispondere solo arretrando e prendendo una visione più ampia; includendo anche la tensione attraverso due fili.

Questo mostra anche come funziona "lineare" contro "non lineare". Nel filo comune, ad una estremità le due correnti si sono combinate sommando. Ma poi si sottraggono perfettamente di nuovo dall'altra parte. Ciò consente ai due loop di rimanere indipendenti. E se ciò non accadesse, e invece le correnti nel singolo filo non fossero una semplice combinazione di somma? Aha, sarebbe "NONLINEAR". In tal caso, non potremmo separarli in modo pulito una volta combinati. Il "sommarsi" ad un'estremità del filo non sarebbe perfettamente uguale al "sottrarre a parte" all'altra estremità, e in quel caso i due circuiti separati inizierebbero ad interagire. Una batteria inizierà a illuminare leggermente l'altra lampadina. I segnali dei due circuiti si mescolerebbero davvero insieme.

PPPPS

Questo tipo di domanda ha una lunga storia e un libro popolare al riguardo è THE MAXWELLIANS, di BJ Hunt. Il famigerato Oliver Heaviside ha capito che i segnali del telegrafo erano in realtà onde EM, ma poi è stato quasi soppresso da William Preece, capo dell'ufficio di telegrafia del governo britannico, che "sapeva" che punti e trattini erano semplicemente correnti, periodo, fine della storia e non fare domande o WH Preece ti dispiacerà! :) Heaviside ha usato la sua nuova teoria EM sulle onde dei cavi per risolvere un enorme problema di telegrafia: per qualsiasi segnale che viaggia lungo le linee del telegrafo 100KM, i punti scompaiono o "si increspano", e per le linee telefoniche, la trasmissione a lunga distanza è stata completamente distorta e impossibile. (Si è riscontrato che il problema era la dispersione delle onde o "chirp", in cui le frequenze basse viaggiano più velocemente di quelle alte.) Heaviside ' l '"equazione del telegrafista" e le sue "bobine di caricamento" hanno risolto questo problema, lasciando che la telegrafia diventasse banda larga, anche se su immense distanze. Ha creato da solo il telefono interurbano. Ma Preece interruppe rapidamente questa eresia usando il suo potere politico per avviare una campagna anti-Heaviside sulla stampa e una campagna sussurrante tra gli ingegneri. Quindi negli Stati Uniti, Pupin of Columbia fece finta di inventare le bobine di caricamento di Heaviside, le brevettò e ne guadagnò milioni tramite Bell Telephone, mentre Heaviside rimase quasi senza un soldo, non guadagnando fama fino a quando non morì. (Heh, una storia di Tesla / Marconi molto prima di Tesla e Marconi. Pupin ha anche avuto un ruolo importante nella caduta di Tesla!) Quindi ora capisci perché sono innamorato della storia delle onde del telegrafo-è-EM. Ossessionato. Non farmi nemmeno iniziare! Ops, troppo tardi. :)

Andreas H ha menzionato il circolatore per le guide d'onda. Nei telefoni analogici questo lavoro viene svolto da un circuito ibrido imperfetto chiamato bobina di induzione anti sidetone (ASTIC). Una bobina ibrida perfetta trasmetterebbe e riceverebbe il discorso contemporaneamente e separatamente, cioè il segnale dal tuo trasmettitore viaggerebbe attraverso i fili verso il ricevitore all'altro capo e il segnale dal trasmettitore distante viaggerebbe verso il tuo ricevitore sulla stessa coppia di fili. Si è capito presto che le persone avevano bisogno di sentirsi parlare, quindi l'ASTIC consente a una parte del segnale del trasmettitore locale di passare al ricevitore locale.

All'interno di un'area di scambio analogica locale il circuito sarebbe composto da due fili da un telefono, tramite i relè nello scambio all'altro telefono. Una volta che inizi a viaggiare tra gli scambi, il segnale verrebbe diviso da una bobina ibrida in corrispondenza dello scambio e il parlato in una direzione viaggerebbe su un circuito diverso dal parlato nell'altra direzione (circuito di giunzione a 4 fili). Ciò ha permesso di amplificare il discorso poiché gli amplificatori sono unidirezionali (solo andata). Allo scambio remoto i due percorsi separati sarebbero stati ricombinati da una bobina ibrida e l'ultima parte della chiamata sarebbe su una coppia di fili.

La conversazione su telefoni e scambi analogici è stata di 300Hz a 3400Hz, quindi si tratta di onde EM a bassa frequenza.

Tuttavia, se si sta trasferendo energia, sia in CA che in CC, allora non abbiamo correnti diverse che vanno in modi diversi sullo stesso filo. Ad esempio, in un determinato stato le società di approvvigionamento energetico sono tenute a fornire una percentuale di energia "verde", ma non dispongono di risorse di generazione "verde" sufficienti, quindi acquistano energia da un altro stato. Allo stesso tempo vendono energia non verde in eccesso fuori dallo stato. Se stanno acquistando e vendendo energia sulla stessa interconnessione (fili), allora non ci sono due flussi di energia concorrenti che viaggiano in direzioni opposte sullo stesso filo. Se lo stato A sta acquistando 500 MW di capacità dallo stato B e lo stato B sta acquistando 400 MW di capacità dallo stato A, allora vi sarà un flusso di 100 MW dallo stato B allo stato A. La contabilità potrebbe indicare 500 MW e 400 MW, ma la realtà elettrica è 100 MW.

Interferiscono.

I segnali elettrici viaggiano lungo i fili come onde sull'acqua. e quando due onde si incontrano si ottiene l' interferenza .

Ma poiché i fili sono lineari, l'interferenza assume la forma di addizione, e quindi non è distruttiva per l'informazione, e quindi se sai qual è uno dei segnali puoi trovare l'altro segnale per sottrazione.

Le linee telefoniche usano (usato?) Un circuito chiamato ibrido che isola i segnali in entrata e in uscita consentendo a un singolo circuito di rame di trasportare segnali vocali in entrambe le direzioni.

Il telegrafo probabilmente utilizzava qualcosa di simile, poiché il mittente sottraeva il proprio segnale da ciò che vede sulla linea, permettendogli di determinare ciò che stava arrivando dall'altra estremità contemporaneamente alla trasmissione del proprio segnale.

Hai scritto:

Com'è possibile che due correnti elettriche possano viaggiare in direzioni opposte sullo stesso filo, contemporaneamente, senza interferire l'una con l'altra?

ma il testo originale dice:

due segnali telegrafici possono viaggiare contemporaneamente in direzioni opposte sullo stesso filo senza interferire l'uno con l'altro

Ecco la contraddizione: un segnale telegrafico e una corrente elettrica non sono la stessa cosa. La corrente elettrica è la sovrapposizione lineare delle onde messe in movimento sulla linea dai trasduttori ad ogni estremità. La corrente in un istante in un punto della linea può avere un solo valore, ma possiamo calcolare quel valore calcolando il contributo delle onde dai segnali imposti su ciascuna estremità della linea e sommandoli insieme.

Come sistema più semplice ma direttamente osservabile, considera uno stereo che suona musica in una stanza. Un altoparlante non cambia il modo in cui si propagano le onde di pressione dell'altro altoparlante. Il gradiente di pressione netto in qualsiasi punto nello spazio e nell'istante è il risultato dell'aggiunta delle onde di pressione da ciascun diffusore.

Anche se quantità fisiche come la corrente o la pressione possono avere un solo valore, se sappiamo che tali quantità sono influenzate da una combinazione additiva di cause, il principio di sovrapposizione lineare consente al sistema di essere suddiviso in parti più piccole che possono essere considerate separatamente: in questo caso la stazione telegrafica a ciascuna estremità della linea e le onde che genera che si propagano lungo la linea.

I segnali sono costituiti da onde. Le onde si incrociano e dopo il passaggio rimangono invariate. Onde elettromagnetiche. Anche le onde sul mare si incrociano (anche se a volte hanno effetti che non mi interessano). "Interfere" è stata una cattiva scelta della parola da parte dell'autore. Nessuno può davvero dirti perché. Ma sai già istintivamente che le onde possono attraversarsi. Pensa solo alla luce che brilla da una finestra e che attraversa una finestra contemporaneamente. Questo non sembra essere sconcertante, vero?

Nella tua domanda usi la parola "corrente". Le correnti sono un'altra questione. La corrente in un filo è sostanzialmente definita come il flusso di carica oltre un punto. Questo sarebbe un flusso netto. Quindi non ha senso parlare delle correnti che si incrociano in qualche modo.

Sto cercando di evitare di parlare di effetti di linea di trasmissione più avanzati come capacità e induttanza perché temo che confonderà ulteriormente le acque. La linea di fondo è che i segnali possono passare l'un l'altro e durante il passaggio, nella posizione del passaggio, si influenzano a vicenda. Ma dopo il passaggio, continuano come se il passaggio non fosse mai avvenuto. Basti pensare alla luce che passa in entrambe le direzioni attraverso una finestra.

Non è attuale, ma SEGNALE che viaggia in una o tutte le direzioni. Questo è il motivo per cui un telefono non deve interrompere il suono ricevuto quando parli, e questo ci è più familiare dei protocolli telegrafici.

Questo è un po 'di inganno, chiamato "ibrido", che presenta un segnale all'orecchio che ha principalmente il segnale del telefono distante e crea un segnale (modulazione della corrente) in base alla tua voce applicata al microfono. Ciò che senti non è la "corrente nel filo" che è ugualmente modulata da due voci, è il 90% della voce lontana che senti e solo il 10% della tua. Un ibrido simile all'altra estremità della connessione annulla la parte principale del suo input vocale in modo che la tua voce sia ascoltata fortemente in quel ricevitore del telefono.

L'ibrido è un circuito che aggiunge segnale, che ha accesso sia alla tua voce che alla combinazione di due voci (sulla linea) e le combina per rinforzare il messaggio a distanza. Nulla in questo schema non è disponibile per un ufficio telegrafico, che può anche funzionare come stazione di ricezione anche durante la trasmissione.

NON è facilmente disponibile per un trasmettitore wireless (di tipo non digitale) che di solito avrebbe un interruttore di interruzione push-to-talk. I nostri cellulari che inviano pacchetti digitali stanno facendo molte interruzioni, abbastanza velocemente da disturbarci raramente, perché quella funzione ibrida interagisce male con un ricevitore che si sovraccarica mentre è in corso una trasmissione.

La tua analogia è rotta. Non pensare a una corsia di macchine, a meno che tu non pensi alle macchine come a paraurti tutti messi insieme.

La velocità media complessiva effettiva degli elettroni che si muovono attraverso un filo è piuttosto lenta. La velocità di deriva degli elettroni in un filo è in genere di diversi micrometri / secondo, per nulla veloce.

Ciò che si propaga attraverso il filo viaggia da elettrone a elettrone, dalla sorgente alla destinazione. Questo processo avviene molto rapidamente, quasi alla velocità della luce. Nell'analogia dell'autostrada, sarebbe analogo a colpire la prima macchina, e ogni macchina urtare quella davanti. Nonostante ogni auto si muova lentamente nel complesso, un'onda potrebbe propagarsi attraverso la catena purché tu possa colpirla abbastanza forte.

Ovviamente più onde sonore possono viaggiare contemporaneamente nell'aria in più direzioni. Tuttavia, quando gridi qualcosa, una singola molecola non viaggia necessariamente direttamente dalla tua bocca all'orecchio degli ascoltatori. Invece, il rimbalzo tra le molecole attraverso l'aria è ciò che trasmette il suono. La stessa cosa è sostanzialmente vera per i segnali elettrici.

Considera la seguente situazione:

Supponiamo di avere una coppia a filo singolo con una sorgente di tensione controllabile a un'estremità e un dissipatore di corrente controllabile all'altra. Poiché entrambe le estremità possono misurare il segnale dell'altra estremità (alla sorgente di tensione possiamo misurare la corrente e alla sorgente di corrente possiamo misurare la tensione) possiamo trasmettere informazioni in entrambe le direzioni. Non sono previsti multiplexing di frequenza o di tempo. E non c'è interferenza e non abbiamo bisogno di invocare la teoria delle onde.

Maggiori dettagli sono nella mia risposta su Physics SE .

Un cavo dell'antenna per un'antenna parabolica trasporta le correnti in due direzioni: un sintonizzatore DC da 18 Volt viene fornito dal sintonizzatore per alimentare l'LNB nel punto focale dell'antenna e allo stesso tempo l'LNB invia un segnale di 4-12 GHz tornare al sintonizzatore, sullo stesso filo.

Entrambe sono correnti elettriche, ma una è CC ed è piatta, l'altra è la radiofrequenza e varia.

È perché ogni onda può attraversarsi. Si verificherà un'interferenza, ma ciò non arresta le onde.

È come chiedere perché due onde in uno stagno possano passarsi. Se le onde sono completamente opposte, si annichileranno, altrimenti si indeboliranno a vicenda e continueranno.

Molti ingegneri e ricercatori (incluso me stesso) hanno osservato che i conduttori metallici hanno un comportamento lineare rispetto alle correnti e alle tensioni elettriche. Tuttavia, come con la maggior parte dei materiali, il comportamento lineare esiste solo in un determinato intervallo. Alti livelli di corrente comporteranno un comportamento non lineare. Con buoni conduttori, come rame, argento e oro, la gamma di comportamenti lineari è piuttosto ampia. Questi metalli hanno una bassa resistenza (ma non zero). (Se supponi che i metalli abbiano resistenza zero, finirai con strane previsioni che non corrispondono alla realtà)

A bassa densità di corrente, ci sono molti spazi liberi nel metallo in cui gli elettroni possono spostarsi e non si urtano l'uno contro l'altro o rimangono bloccati molto spesso. quindi non molta energia viene assorbita dal metallo e il comportamento appare lineare (le autoscontri sono di gran lunga indipendenti)

Quando la densità di corrente nel metallo diventa abbastanza alta, allora la corrente trasferisce una significativa energey al metallo, il che cambia la sua resistenza e il behvaiour è diventato non lineare. Un semplice esempio è quello di collegare un filo sottile (come un calibro 28) attraverso i terminali di una grande batteria per auto da 12V. Il metallo diventa caldo, alla fine si scioglie e rompe il circuito. Questo è un comportamento MOLTO non lineare. Quel filo probabilmente trasporta circa 50 Ampere. (NON provarlo tu stesso: puoi far volare pezzi di metallo fuso, causare incendi e gravi danni agli occhi) D'altra parte, se inserisco due segnali su questo stesso filo (prima di scioglierlo) con 0,001 amp ciascuno , il comportamento sarà abbastanza lineare.

Questo ragazzo sta armando per fare un punto più esistenziale. Funziona in linea di principio, ma non come dice. E con segnale, non corrente .

Diamine, anche in radio, due trasmettitori possono bloccare e bloccare l'utilizzo simultaneo . Ascolta questo alle 1:25.Quel "Booooop" è che entrambi gli aeroplani riconoscono la "loro" autorizzazione al decollo, ma si calpestano l'un l'altro in modo che almeno uno non venga ascoltato.

Se si utilizza un sistema telegrafico DC, stesso problema. Se uno dei due tasti telegrafici viene premuto, causerà entrambi attivazione di sirene. In realtà non è possibile inviare segnali DC in direzioni opposte nel dominio DC, (tranne tramite uno stile CSMA-CD per gentile concessione di attendere fino al termine dell'altra persona e diffidare di due persone che si avviano contemporaneamente).

Tuttavia, immagina se la stazione telegrafica 1 trasmette CC, e la stazione telegramma 2 ha il suo ecoscandaglio collegato attraverso uno starter che blocca CA. La stazione 2 trasmette accendendo e spegnendo 1000Hz CA, che solo la stazione 1 può ascoltare perché la sua sirena ha un condensatore di dimensioni giuste, che passa a 1000 Hz CA ma blocca CC.

È possibile espandere questo a più frequenze CA utilizzando i filtri "passa-banda" che consentono solo attraverso una determinata frequenza. Considera il tono bah-boo-BEEP che saluta la caserma dei pompieri della serie TV Chicago Fire . Quello spettacolo è un enorme tributo e grida a uno spettacolo degli anni '70 chiamato Emergency , l'origine dei toni. Emergency ritratta un sistema antincendio degli anni '60 in cui più frequenze venivano utilizzate proprio in quel modo.

Due stazioni che trasmettono contemporaneamente creano semplicemente un accordo sul filo. Le frequenze devono essere scelte in modo intelligente in modo che gli accordi non interferiscano l'uno con l'altro.

Tutte le stazioni ascoltano tutti i segnali. Ignorano semplicemente il "loro cibo per cani", cioè il segnale che stanno trasmettendo.

Può diventare più complesso, modulando le onde portanti. A questo punto stiamo parlando dello spettro radio, ma su un filo .