Perché un semplice conduttore inizia a emettere onde EM quando trasporta un segnale?

Comprendo che sulle tracce del circuito stampato con un orologio, se le armoniche superiori hanno una potenza sufficiente, si traducono in onde elettromagnetiche emesse dalle tracce che creano EMI. Quello che non capisco è perché questo accade in primo luogo?

Perché una corrente ad alta frequenza deve passare attraverso il conduttore per emettere radiazioni EM e perché ciò non accade con le correnti a bassa frequenza? Quello che capisco è che la traccia della scheda sta essenzialmente iniziando a comportarsi come un'antenna in questo caso, ma non ne conosco il motivo.

La domanda di follow-up ...

ma ciò che non capisco è il motivo per cui il flusso di elettroni che sono entità fisiche provocano l'emissione di queste onde EM

Perché si verifica la "radiazione"?

Diamo un'occhiata a questo in particolare, perché è una preoccupazione comune (ed eccellente).

Ecco un semplice filo, immediatamente collegato a una fonte di tensione:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

In questo momento, la differenza di potenziale tra l'estremità sinistra del filo (adiacente alla sorgente) e la terra è di 1 volt.

L'altra estremità estrema del filo è ancora a terra (differenza 0) perché la forza elettromotrice (tensione) della sorgente non si è ancora propagata all'altra estremità del filo.

Col passare del tempo, la tensione verso il basso aumenta:

^{simula questo circuito}

Gli elettroni nel conduttore vengono accelerati dal campo elettrico (l'energia potenziale della sorgente viene convertita in energia cinetica negli elettroni).

Quando gli elettroni raggiungono la fine *, non possono continuare fisicamente - non c'è più conduttore da propagare!

... ma queste cariche hanno un impulso nella direzione del filo (es. c'è energia cinetica).

Quando le cariche si arrestano bruscamente alla fine del filo, la conservazione della legge sull'energia richiede che questa energia debba "andare da qualche parte" - non può semplicemente scomparire!

La risposta è radiazione . L'energia lascia l'estremità del filo sotto forma di un'onda elettromagnetica.

* Va notato che gli stessi elettroni che iniziano a muoversi a un'estremità del filo non sono necessariamente gli stessi elettroni che raggiungono l'altra estremità del filo, ma questo non è materiale per la nostra discussione.

Il fallout

Molte cose pulite ne derivano. Ad esempio, potresti pensare al filo nel nostro esempio come composto da infinitamente più piccoli fili. Per ognuno di questi, lo stesso comportamento sarebbe vero (motivo per cui le radiazioni si verificano per l'intera lunghezza).

Puoi anche capire perché le radiazioni derivano da un cambiamento nel campo elettromagnetico (ad es. Da un cambiamento di corrente).

Puoi capire come funzionano le antenne lineari. Nel nostro esempio, ora immaginiamo che proprio nel momento in cui la tensione raggiunge il limite estremo, riportiamo la sorgente a 0,0V. Ora avresti l'immagine identica ma capovolta (1,0 V a destra, 0,0 V a sinistra) e il processo ricomincerebbe.

Continua a ripetere questo processo e gli elettroni corrono all'infinito avanti e indietro (su tutta la lunghezza del filo) da un'estremità all'altra. È un'antenna lineare perfetta ("radiatore").

Se il filo fosse troppo breve, ci sarebbe meno movimento e se troppo lungo, ci sarebbe troppo. La tensione dovrebbe continuare ad aumentare ulteriormente il filo mentre si riduce la tensione nella sezione vicina (risultati interferenza, che è difficile da visualizzare solo con queste semplici figure).

Ora puoi intuire il comportamento della traccia ...

Quello che capisco è che la traccia della scheda sta essenzialmente iniziando a comportarsi come un'antenna in questo caso, ma non ne conosco il motivo.

Alle basse frequenze (in realtà, basse velocità di taglio nei circuiti "digitali"), gli elettroni hanno il tempo di raggiungere la fine del filo prima che la sorgente venga scambiata e gli elettroni sono chiamati a ritornare. Questo si chiama "elemento aggregato".

La tensione ad ogni estremità del filo è sostanzialmente sempre la stessa. Questo è il comportamento che insegniamo agli studenti di elettronica introduttiva (un filo è una superficie equipotenziale = stessa tensione ovunque).

All'aumentare della frequenza, hanno sempre meno tempo per effettuare lo scatto e non è più possibile garantire che la tensione a ciascuna estremità del filo sia la stessa mostrata nelle figure precedenti.

Nella progettazione del circuito stampato, non è necessario preoccuparsi molto delle radiazioni dagli elementi raggruppati. Un semplice approssimazione è:

1. Trova il tempo di salita più veloce (1 / velocità limite) nella segnalazione = Tr
2. Trova la frequenza massima contenuta in questo fronte = f
3. Mantenere le tracce di un ordine di grandezza più breve della lunghezza d'onda corrispondente

Questo è:

dove c_m è la velocità della luce nel mezzo (tipicamente per un rame su PCB FR-4 c_m è di circa 1,5e8).

Invece di una rigorosa trattazione matematica, ecco una spiegazione un po 'a mano agitando:

Qualsiasi filo ha un campo magnetico attorno ad esso (perpendicolare alla lunghezza del filo) quando c'è una corrente che fluisce attraverso di essa. Tuttavia, lanciando efficientemente un'onda elettromagnetica richiede anche una caduta di tensione (campo E) perpendicolarmente al campo M (lungo la lunghezza del filo).

Alle basse frequenze, l'unica caduta di tensione è dovuta alle perdite di I ² R nel filo, e questo di solito non è molto significativo. Tuttavia, come la frequenza aumenta, si hanno due effetti che entrano in gioco. Innanzitutto, le perdite di I ² R iniziano a salire a causa dell '"effetto pelle" nel filo. In secondo luogo, il tempo di propagazione finito di un segnale lungo il filo significa che le estremità del filo sono a tensioni diverse quando il segnale cambia. Questo secondo effetto diventa particolarmente significativo quando la frequenza del segnale sale al punto in cui 1/4 della lunghezza d'onda corrisponde alla lunghezza del filo.

Tutti i segnali CA emettono radiazioni EM dai loro conduttori, ma l' efficienza di questo processo dipende molto dal rapporto tra la lunghezza d'onda del segnale e la lunghezza dell'antenna. Frequenze più alte hanno lunghezze d'onda più corte, e si irradiano in modo più efficiente dalla lunghezza di tracce che si trovano su un PCB normale.

Se si dispone di un cavo collegato al dispositivo, ad esempio, un potere o cavo audio, che assomiglia ad un antenna più lunga che potrebbe emettere una gamma più bassa di frequenze.

Ecco una foto che aiutano forza: -

L'immagine mostra un'antenna parabolica ma semplicemente è un'antenna come un pezzo di filo o una traccia su un PCB ma ricordate, il piatto è progettato per emettere efficientemente a una particolare frequenza, mentre tracce e fili può "Resonate" a più lunghezze d'onda .

Vicino al filo / piatto / traccia / antenna, vengono prodotti campi elettrici e campi magnetici che immagazzinano energia proprio come fanno gli induttori e i condensatori - questi campi (vicino all'antenna) non si irradiano molto lontano. Notare nell'immagine, le linee tratteggiate si sovrappongono e si intersecano - l'immagine sta cercando di rappresentare una "incompatibilità" tra i campi E e M. Sto cercando la parola corretta da utilizzare qui ... ho pensato "incoerenza", ma forse no, forse c'è una parola migliore, piuttosto che di incompatibilità.

Quando la distanza aumenta verso l'equivalente di circa 1 x lunghezza d'onda, se l'antenna è efficiente, le parti E e M iniziano ad "allinearsi" nel tempo, cioè le loro ampiezze si alzano e si abbassano insieme. Prima di ciò (nel campo vicino) c'è una cacofonia di disallineamento dovuta principalmente alla L e alla C dell'antenna - i campi E e M non sono allineati nel tempo e in effetti, i campi E e M attorno all'antenna possono essere disallineati apparentemente quasi a casaccio.

Quando la distanza aumenta E se l'antenna è brava a fare il suo lavoro, in quello che è noto come campo lontano, vengono prodotte onde EM adeguate. E 'ancora un fenomeno molto misterioso per me!

Come noto, una corrente costante attraverso un filo è circondata da un campo magnetico, la cui resistenza è proporzionale alla corrente. Probabilmente siete anche familiarità con il meccanismo di induzione; un campo magnetico mutevole crea un campo elettrico. Per estensione, un cambiamento di corrente genera un campo elettrico esterno del filo, una proprietà spesso usato per trasferire energia tra due bobine conduttrici. L'entità di questo campo elettrico è determinata dalla velocità di variazione della corrente e quindi dalla frequenza.

Non solo un campo magnetico mutevole genera un campo elettrico, ma funziona anche al contrario. In un elettromagnete, un campo elettrico alternato viene utilizzato per produrre un campo magnetico. Intorno al filo, in quello che è approssimativamente "spazio libero" (senza correnti o cariche), i due campi creano continuamente nuove generazioni l'una attorno all'altra, sebbene in realtà non siano così discrete come suggerisce questa spiegazione. Le nuove generazioni spingono contionusly il fronte d'onda in avanti. Questa è l'onda elettromagnetica.

Malgrado l'apparente semplicità delle equazioni coinvolte, calcolando la propagazione dei campi elettromagnetici è abbastanza avanzato anche per le geometrie più semplici idealizzate, ma è facile indurre dalla conoscenza del meccanismo (e matematicamente dalla derivata temporale nelle equazioni di Maxwell) che l'intensità le onde EM attorno a un filo sono correlate alla frequenza della sua corrente, poiché il cambiamento di corrente ha causato l'onda. Conduttori percorsi da corrente a bassa frequenza irradiano pure, ma solo leggermente.