Por que as leis fundamentais dos circuitos quebram em alta frequência CA?

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Estamos apenas começando o cenário de RF inteiro, lidando com CC e CA de baixa frequência em todos os nossos cursos anteriores.

Entendo que em CA de alta frequência, as leis fundamentais dos circuitos não se aplicam mais e os modelos clássicos de componentes passivos precisam ser alterados. A justificativa para isso foi que, na transmissão CA de alta frequência, o comprimento de onda se torna muito menor e às vezes pode ser menor que a fiação dos PCBs etc.

Entendo que esse é um problema ao transmitir através do espaço livre com ondas eletromagnéticas, mas por que esse é um problema com fios físicos e PCB reais sendo acionados por uma fonte CA? Quero dizer, é uma conexão direta, não estamos usando ondas eletromagnéticas para propagar através do espaço livre e, portanto, o comprimento de onda e outras coisas não devem importar, certo?

ac high-frequency

— AlfroJang80
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Na CC, um indutor ideal é curto e um capacitor ideal é aberto. No limite "de CC para a luz do dia", um indutor ideal é um aberto e um capacitor ideal é um curto. Se você abrir um osciloscópio Tektronix projetado para os limites superiores do desempenho em GHz, poderá ver caminhos condutores formados por uma série de faixas capacitivas e blocos condutores formados pelo que parece um traço simples.

— 21418

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A onda leva tempo para chegar à outra extremidade do fio, você não acha? Se você tiver um fio de um ano-luz e conectar uma bateria a uma extremidade, terá que levar pelo menos um ano para que a bateria perceba que não há nada conectado à outra extremidade. E nesse período sua bateria estará descarregando em um circuito aparentemente aberto.

— user253751

3

@EricDuminil Eles também se comportam como você os constrói.

— user253751

4

@immibis: É assim que costumo medir a impedância dos meus cabos coaxiais infinitamente longos.

— PlasmaHH

2

"não estamos usando ondas eletromagnéticas para propagar através do espaço livre" é tecnicamente errado - mesmo que você não pretenda usá-las dessa maneira, se você possui fios físicos e CA de alta frequência, a propagação pelo espaço livre está acontecendo você quer ou não.

— Peteris

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Na verdade, é tudo sobre as ondas. Mesmo quando se lida com DC, tudo é gerenciado pelos campos e ondas elétricos e magnéticos.

As "leis fundamentais" não estão quebrando. As regras que você aprendeu são simplificações que fornecem respostas precisas sob certas condições - você ainda não aprendeu as leis fundamentais. Você está prestes a aprender as leis fundamentais depois de ter usado simplificações.

Parte das condições assumidas para as regras simplificadas é que o circuito é muito menor que o comprimento da onda do (s) sinal (es) envolvido (s). Nessas condições, você pode assumir que um sinal está no mesmo estado no circuito. Isso leva a muitas simplificações nas equações que descrevem o circuito.

À medida que as frequências aumentam (ou os circuitos aumentam), de modo que o circuito é uma fração apreciável do comprimento de onda, essa suposição não é mais válida.

Os efeitos do comprimento de onda na operação de circuitos elétricos primeiro se tornaram óbvios em baixas frequências, mas com circuitos muito grandes - linhas telegráficas.

Quando você começa a trabalhar com RF, atinge comprimentos de onda tais que o tamanho de um circuito que fica na sua mesa é uma fração apreciável do comprimento de onda dos sinais usados.

Então, você começa a prestar atenção às coisas que você poderia ignorar antes.

As regras e equações que você está aprendendo agora também se aplicam a circuitos mais simples e de baixa frequência. Você pode usar as coisas novas para resolver os circuitos mais simples - você só precisa ter mais informações e resolver equações mais complicadas.

— JRE
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Os efeitos parasitários de materiais imperfeitos, desprezíveis na LF, irão morder o engenheiro da HF.

— ami

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A ciência da escola primária também nos morde: as idéias erradas de que a eletricidade é um tipo separado de energia, que elétrons = energia, ou que elétrons viajam à velocidade da luz, como disseram a sra. Frizzle e Bill Nye. Na verdade, todos os circuitos são guias de ondas, a energia viaja para fora como campos EM, a energia do circuito são ondas de rádio ELF e os elétrons apenas tremem levemente quando as ondas de energia se propagam em nosso circuito. As antenas Xmit não transformam eletricidade em campos EM, já eram campos EM; "eletricidade" era fótons o tempo todo: até os circuitos CC lidam com energia das ondas dos campos eletromagnéticos.

— Wbeaty 17/09/19

Então, basicamente, fomos ensinados da maneira errada o tempo todo.

— perfil completo de AlfroJang80

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@ AlfroJango80: Não é para trás. Você aprendeu uma simplificação que funciona para muitas coisas. É simples o suficiente para você trabalhar imediatamente e preciso o suficiente para ser útil.

— JRE

@wbeaty Em uma corrente DC, os elétrons viajam, embora certamente << c. Mas você está certo de que ainda é uma onda, já que sempre houve uma tensão não DC de inicialização, portanto o FourierTransform sempre tem componentes de frequência.

— Carl Witthoft

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As leis fundamentais do EM são as Equações de Maxwell :

\nabla \cdot E = 4 π ρ

$\nabla \cdot \mathbf{E} = 4\pi\rho$

\nabla \cdot B = 0

$\nabla \cdot \mathbf{B} = 0$

\nabla \times E = - \frac{1}{c} \frac{\partial B}{\partial t}

$\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{1}{c} \frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}$

\nabla \times B = \frac{1}{c} (4 π J + \frac{\partial E}{\partial t})

$\nabla \times \mathbf{B} = \frac{1}{c}\left( 4\pi\mathbf{J} + \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}\right)$

Elas sempre foram as leis fundamentais do EM, mas em frequências mais baixas, achamos que resolver essas equações diferenciais multidimensionais é bastante difícil, e nem tudo isso é benéfico para apoiar nossa compreensão do circuito. Você não precisa invocar a simetria para resolver adequadamente uma equação para propagação ao longo de um fio, se a diferença líquida entre um fio curto de 18ga e um fio longo de 0000 for de 0,0000001% em relação aos comportamentos nos quais você está interessado.

Consequentemente, as pessoas já integraram essas equações para casos simples, como fios em baixas frequências, e encontraram as equações que foram dadas nas aulas anteriores. Bem, mais precisamente, encontramos essas equações primeiro, depois encontramos as equações de Maxwell à medida que nos aprofundamos no EM e, finalmente, mostramos que as equações originais eram consistentes com as de Maxwell.

Pessoalmente, acho melhor explorar isso por exemplo. Eu gostaria de dar um exemplo do famoso tomo: A arte do design digital de alta velocidade (subtítulo: A Handbook of Black Magic). Em sua introdução, eles apontam a importância das escolhas do tipo de capacitor. Eles alegam extraordinariamente que, em altas velocidades, um capacitor pode parecer um indutor porque seus condutores são dois fios paralelos. Os fios paralelos têm uma indutância.

Se usarmos o conceito de impedância, podemos calcular os efeitos da indutância parasitária em nosso capacitor. A impedância de um condensador é , e a impedância de um indutor é . Por enquanto, ignoraremos a resistência parasitária, embora em muitos casos seja um detalhe importante. Coloque-os em série e você verá a impedância do circuito . Como você pode ver, em altas frequências, esse termo CL começa a dominar, fazendo com que todo o circuito pareça mais um indutor. Em frequências mais baixas, onde , você pode ignorar isso. Em altas frequências, você não pode. $\frac{-1}{\omega C}$ $\omega L$ $\frac{-1}{\omega C} + \omega L = \frac{\omega^2 CL - 1}{\omega C}$ $\omega^2CL \ll 1$

Da mesma forma, em altas frequências, fica mais difícil ignorar o fato de que os fios emitem radiação EM. Em baixas frequências, esse efeito é trivial, mas em altas frequências, uma grande quantidade de energia pode ser dissipada no próprio fio.

— Cort Ammon
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Cort, quando a resposta de @ τεκ for votada mais, votarei nisso.

— 22418 Robert Bristow-Johnson

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Porque as suposições exigidas pelo modelo de elemento agrupado são violadas. O modelo de elementos agrupados é o que permite analisar dispositivos como resistores conectados por nós, sem considerar o layout físico dos dispositivos e do circuito.

O modelo de elementos agrupados assume:

A mudança do fluxo magnético no tempo fora de um condutor é zero.

\frac{\partial ϕ_{B}}{\partial t} = 0

${\frac {\partial \phi _{B}}{\partial t}}=0$

A alteração da carga no tempo dentro dos elementos condutores é zero.

\frac{\partial q}{\partial t} = 0

${\frac {\partial q}{\partial t}}=0$

O comprimento característico (o 'tamanho' dos nós e dispositivos) é muito menor que o comprimento de onda do sinal de interesse.

L_{c} << λ

$L_c << \lambda$

— τεκ
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Não sei por que essa resposta não é a que está no topo da pilha. responde direta e corretamente à questão raiz.

— 22418 Robert De Bristow-Johnson

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Eu concordo - mas, em vez de apenas enumerar essas equações sem explicação, eu adoraria ver como as equações de Kirchoff surgem das equações de Maxwell. O capítulo 2.3 da "Engenharia Planar de Microondas" de Tom Lee faz um bom trabalho nisso.

— divB

Essa é uma excelente resposta direta, embora não defina os modelos complexos do LEM quando as regras são violadas, mas outras respostas abrangem esse problema.

— precisa saber é o seguinte

Quando o modelo tradicional de circuito de elementos agrupados não funciona em altas frequências, adiciono mais agrupamentos para simular as linhas de transmissão contínuas e a modelagem de elementos finos.

— Richard1941

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Há muitas respostas complicadas (e corretas) aqui. Vou adicionar uma analogia simples - pense em disparar arma:

a 10 cm de distância, o tempo de deslocamento da bala é apenas distância / velocidade e o ponto de vida está na linha idêntico ao machado do cano
a 10 m de distância, a bala atingiu o alvo mais baixo, pois a gravidade o puxou um pouco para baixo e você deve ajustar seu objetivo
a 20 m você precisa ajustar mais, pois a gravitação afeta mais
a 100 m, você vê que mesmo com a gravidade contada, ela não se encaixa. Por quê? Sim, existe ar e a bala também fica lenta. Também vemos que a bala está fazendo tudo o resto, além de voar em linha reta, pois a rotação combinada com a velocidade vertical comprime o ar de um lado e as balas estão dançando lá. Também podemos ver, que provavelmente não é totalmente homogêneo, o que adiciona ao seu movimento outro fator
a 1000 m, podemos ver que ainda há algo mais - sim, a Terra está girando e conta também
então vá mais alto, onde não acabaria sua mosca no solo tão rápido, digamos em órbita e atire lá - novamente, há mais para contar - também esquecemos a gravidade da lua
e em uma distância ainda maior, vemos que não há apenas a gravidade do Sol, mas também a luz que sai do Sol, que a empurra um pouco demais e todas as partículas eleticamente ativas que produzem pequenas correntes nele e nos campos mágicos ...
e em traços extremamente longos (como interestelares) também a gravidade de outras galáxias (não surpreendentemente), mas nossos touros têm tempo para mudar sua estrutura interna, pois mesmo o chumbo está lentamente rompendo lentamente outros elementos químicos por decaimento por radioatividade

Bem, agora é super complicado, então vamos voltar para a distância de 10 cm no início - isso significa que a fórmula tempo = distância / velocidade não funciona? Ou não funciona nossa fórmula supercomplicada final?

Bem, ambas as obras, como todos os elementos que adicionamos lentamente aos nossos cálculos, ainda estão presentes, apenas a uma curta distância a diferença é tão pequena, que não podemos sequer medi-la. Assim, podemos usar nossa fórmula "simples" - que não é totalmente exata, mas, em algumas condições razoáveis, fornece resultados exatos razoáveis (digamos, com 5 casas decimais) e podemos aprendê-la rapidamente, aplicá-la rapidamente e obter resultados, que estão corretas (com 5 casas decimais) na escala que é interessante para nós.

O mesmo vale para DC, CA lenta, frequências de rádio, frequências ultra altas ... cada um dos seguintes é a versão mais exata do anterior, cada anterior é uma versão especial do seguinte na situação em que as pequenas diferenças são tão pequenas que podemos descarte-os e obtenha um resultado "suficiente".

— gilhad
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@ gilhad Esta resposta deve ser leitura obrigatória e estudo para todos os alunos de EE.

— Analogsystemsrf 17/09/18

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Quero dizer, é uma conexão direta, não estamos usando ondas eletromagnéticas para propagar através do espaço livre e, portanto, o comprimento de onda e outras coisas não devem importar, certo?

Essa é uma suposição muito errada . Os sinais ainda são ondas EM e permanecem ondas EM, se propagarem através do espaço livre ou de um condutor. As leis permanecem as mesmas.

Nas conexões (fios) na ordem do comprimento do comprimento de onda, você não pode mais usar a abordagem de "elementos agrupados". A abordagem "elemento agrupado" significa que as conexões são consideradas "ideais". Para sinais de alta frequência a distâncias na ordem do comprimento de onda e maior, essa abordagem é inválida.

Lembre-se: as leis EM não mudam à medida que uma onda EM viaja pelo espaço ou por um condutor, elas se aplicam nos dois casos. As ondas EM permanecem ondas EM em espaço livre ou em um condutor.

— Bimpelrekkie
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OK. Eu entendo que as ondas EM ainda existem ao transmitir tensões CA através de um fio - mas elas não contribuem para o fluxo atual de corrente correto (além de reduzi-lo um pouco com a fem oposta). Então, por que deveríamos abandonar todos os nossos modelos de baixa frequência e CC quando essencialmente a corrente CA ainda está fluindo bem através desse fio? Eu simplesmente não vejo como o comprimento de onda sendo muito pequeno entra em jogo quando temos um fio direto da fonte e carga CA.

— AlfroJang80

Deve-se acrescentar que, mesmo para os sinais de velocidade mais alta que se poderia esperar em uma placa de circuito impresso "normal", o modelo agrupado ainda é aplicável se a capacitância e a indutância de uma trilha inteira forem levadas em consideração. As distâncias são pequenas, afinal.

— Janka

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@ AlfroJang80, uma antena dipolo é apenas um par de fios diretos da alimentação às extremidades abertas. E, no entanto, pode transmitir e receber sinais de RF sem fio. Em algum lugar entre um fio muito curto que não transmite ou recebe energia e um dipolo de quarto de onda que transmite e recebe com muita eficiência, deve haver um meio-termo onde os efeitos da radiação são significativos, mas não dominantes.

— O fóton

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@ AlfroJang80 Pense em uma situação simples em que "corrente" é apenas "o movimento de elétrons". Se algo faz o primeiro elétron no fio começar a se mover, o que faz o próximo e o seguinte - e os seguintes a 1 km de distância, se for um fio longo - se moverem? Resposta, o campo eletromagnético ao redor de cada elétron. Não se esqueça que um circuito simples com apenas uma bateria, um interruptor e um resistor não é um "circuito CC" no momento em que você abre ou fecha o interruptor, porque a corrente muda - mas no seu primeiro curso no circuito CC análise, você ignora esse fato.

— alephzero

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@ A corrente AlfroJang80 é apenas metade e a tensão é a outra metade. Essa é a chave. A corrente é a parte do magnetismo da onda EM, a tensão é a parte dos campos eletrônicos. "VI" é "EM". Todos os fios são guias de ondas! Mas podemos ignorar isso, se dissermos que a onda EM é na verdade um "E" separado, a tensão e "M" a corrente. Em seguida, concentre-se apenas nos volts / amperes CC, ignore as ondas EM do circuito. Mas mesmo DC é uma onda em 0Hz (ou em 0,0001Hz.) Na física dos circuitos, DC não existe, e tudo é na verdade ondas EM guiadas por longas filas de elétrons, com toda a energia "elétrica" viajando apenas para fora dos fios .

— Wbeaty 17/09/19

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Eles não quebram, mas quando o tempo de subida se aproxima de 10% ou é menor que o atraso de propagação para uma correspondência de impedância de carga é importante devido a esse comprimento de onda. A impedância de carga é invertida para uma fonte de 1/4 de comprimento de onda, seja ela conduzida ou irradiada.

Se a carga não for uma impedância correspondente às reflexões da "linha e fonte de transmissão", ocorrerá de acordo com algum coeficiente chamado perda de retorno e o coeficiente de reflexão.

Aqui está um experimento que você pode fazer para demonstrar ondas EM conduzidas.

Se você tentar sondar uma onda quadrada de 1 MHz em uma sonda de osciloscópio 10: 1 com o clipe terra de 10 cm, poderá ver ressonância coaxial concentrada de 20 MHz. Sim, a sonda não é compatível com o gerador de 50 ohm; portanto, os reflexos ocorrerão de acordo com o fio terra de 10 nH / cm e o cabo coaxial especial da sonda de 50 pF / m. Ainda é uma resposta do elemento agrupado (LC).

Reduzir a sonda 10: 1 para menos de 1 cm apenas na ponta do pino e no anel sem um grampo retificado, aumenta a frequência ressonante, talvez até a limitação da sonda e do osciloscópio em 200 MHz.

Agora tente um cabo coaxial 1: 1 1 que é 20 ns / m, para que uma onda quadrada de 20 ~ 50 MHz em um cabo coaxial de 1 m com uma sonda 1: 1 veja um reflexo em uma fração do comprimento de onda e uma resposta horrível da onda quadrada, a menos que terminado no escopo com 50 ohms. Esta é uma reflexão de onda EM conduzida.

Mas considere que um sinal lógico rápido com um tempo de subida de 1 ns pode ter uma impedância de fonte de 25 ohm e uma largura de banda> 300 MHz; portanto, o excedente pode ser um erro de medição ou incompatibilidade de impedância real com reflexões de comprimento da trilha.

Agora calcule 5% do comprimento de onda de 300 MHz a 3e8 m / s para ar e 2e8 m / s para cabo coaxial e veja quais são os tempos de atraso de propagação que causam ecos de uma carga incompatível, por exemplo, CMOS alto Z e dizem faixas de 100 ohms . É por isso que as impedâncias controladas são necessárias geralmente acima de 20 ~ 50 MHz e isso afeta o toque ou o excesso ou a incompatibilidade de impedância. Mas sem, é por isso que a lógica tem uma zona cinza tão grande entre "0 e 1" para permitir um toque.

Se alguma palavra for desconhecida, procure-a.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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@PeterMortensen ty

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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Embora isso tenha sido respondido algumas vezes, eu gostaria de acrescentar o raciocínio que pessoalmente acho mais revelador e é retirado do livro de Tom Lee, "Planar Microwave Engineering" (capítulo 2.3).

Conforme indicado nas outras respostas, a maioria das pessoas esquece que as leis de Kirchoff são apenas aproximações que se mantêm sob certas condições (regime fixo) quando se assume um comportamento quase estático. Como chega a essas aproximações?

Vamos começar com as citações de Maxwell no espaço livre:

\nabla μ_{0} H = 0 (1) \nabla ϵ_{0} E = ρ (2) \nabla \times H = J + ϵ_{0} \frac{\partial E}{\partial t} (3) \nabla \times E = - μ_{0} \frac{\partial H}{\partial t} (4)

$\nabla \mu_0 H=0 \qquad(1) \\ \nabla \epsilon_0 E = \rho \qquad(2) \\ \nabla\times H=J+\epsilon_0 \frac{\partial E}{\partial t} \qquad(3) \\ \nabla\times E=-\mu_0 \frac{\partial H}{\partial t} \qquad(4) \\$

A equação 1 afirma que não há divergência no campo magnético e, portanto, não há monopólos magnéticos (lembre-se de meu nome de usuário! ;-))

A equação 2 é a lei de Gauss e afirma que existem cargas elétricas (monopólos). Essas são as fontes da divergência do campo elétrico.

A Equação 3 é a lei de Ampere com a modificação de Maxwell: ela afirma que a corrente comum e um campo elétrico variável no tempo criam um campo magnético (e o último corresponde à famosa corrente de deslocamento em um capacitor).

A equação 4 é a lei de Faraday e afirma que um campo magnético variável causa uma alteração (uma ondulação) no campo elétrico.

A equação 1-2 não é importante para esta discussão, mas a equação 3-4 responde de onde vem o comportamento das ondas (e, como as equações de Maxwell são mais genéricas, elas se aplicam a todos os circuitos, inclusive DC): Uma mudança em E causa uma chance em H que causa uma mudança em E e assim por diante. São os termos de acoplamento que produzem o comportamento das ondas !

Agora suponha que por um momento mu0 seja zero. Então o campo elétrico fica livre de ondulações e pode ser expresso como o gradiente de um potencial, o que também implica que a integral da linha em torno de qualquer caminho fechado seja zero:

V = \oint E d l = 0

$V = \oint E dl = 0$

Voila, essa é apenas a expressão teórica de campo da Lei de Tensão de Kirchhoff .

Da mesma forma, definir epsilon0 como zero resulta em

\nabla J = \nabla (\nabla \times H) = 0

$\nabla J = \nabla (\nabla \times H) = 0$

Isso significa que o divergente de J é zero, o que significa que nenhuma corrente (líquida) pode se acumular em qualquer nó. Isso nada mais é do que a Lei Atual de Kirchhoff .

Na realidade, epsilon0 e mu0 obviamente não são zero. No entanto, eles aparecem na definição da velocidade da luz:

c = \sqrt{\frac{1}{μ_{0} ϵ_{0}}}

$c = \sqrt{\frac{1}{\mu_0 \epsilon_0}}$

Com velocidade infinita da luz, os termos do acoplamento desapareceriam e não haveria nenhum comportamento de onda. No entanto, quando as dimensões físicas do sistema são pequenas em comparação com os comprimentos de onda, a finitude da velocidade da luz não é perceptível (da mesma forma que a dilatação do tempo sempre existe, mas não será perceptível para baixas velocidades e, portanto, as equações de Newton são uma aproximação de Teoria da relavividade de Einsteins).

— divB
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por que tão poucos votos? Eu gosto desta resposta.

— Neil_UK

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Os sinais elétricos levam tempo para se propagar através dos fios (e traços de PCB). Mais devagar do que ondas EM através de um vácuo ou ar, sempre.

Por exemplo, um par trançado em um cabo CAT5e tem um fator de velocidade de 64%; portanto, o sinal viaja a 0,64c e ele gira em torno de 8 "em um nanossegundo. Um nanossegundo é muito tempo em alguns contextos eletrônicos. ciclos em uma CPU moderna, por exemplo.

Qualquer configuração de condutores de tamanho finito possui indutância e capacitância e (geralmente) resistência, para que possa ser aproximada usando componentes agrupados em um nível mais fino de granularidade. Você pode substituir o fio por indutores e resistores da série 20 por 20 capacitores no plano de aterramento. Se o comprimento de onda for muito curto comparado ao comprimento, você pode precisar de 200 ou 2000 ou ... o que for para aproximar o fio e outros métodos, pode parecer atraente, como a teoria das linhas de transmissão (normalmente um curso de graduação semestral para EEs) .

"Leis" como KVL, KCL são modelos matemáticos que aproximam a realidade com muita precisão sob condições apropriadas. Leis mais gerais, como as equações de Maxwell, aplicam-se de maneira mais geral. Pode haver algumas situações (talvez relativísticas) em que as equações de Maxwell não sejam mais muito precisas.

— Spehro Pefhany
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As equações de Maxwell podem ser modificadas (Lorentz – FitzGerald) para serem invariantes sob transformações relativísticas. Se você lê alemão (como eu), essa é provavelmente a melhor breve visão geral das equações transformadas que posso encontrar rapidamente. Eu também gosto disso .

— 21418

1

Ele é uma onda. O mesmo que está acontecendo aqui é o mesmo que é mencionado quando é mencionado como a "eletricidade se move na velocidade da luz", embora os elétrons "se movam" muito mais lentamente. Na verdade, é cerca de 2/3 (IIRC) da velocidade da luz na maioria dos materiais condutores - portanto, cerca de 200 000 km / s. Em particular, quando você aciona um interruptor, por exemplo, você envia uma onda eletromagnética pelo circuito, o que faz com que os elétrons sejam incitados ao movimento. É uma onda de "passo" nesse caso - atrás dela, o campo está alto, à frente, é zero, mas depois que passa, os elétrons estão se movendo. As ondas se movem em um meio em velocidades mais lentas que no espaço livre, mas ainda passam pela mídia - é por isso que, afinal, essa luz pode passar através do vidro.

Nesse caso, a fonte de tensão está constantemente "bombeando" para frente e para trás e, assim, está configurando ondas oscilantes da mesma maneira que se movem na mesma velocidade. Em frequências baixas, como 60 Hz, o comprimento dessas ondas é muito maior que a escala de um único dispositivo em escala humana, ou seja, para essa frequência específica, cerca de 3000 km (200 000 km / s * (1/60 s)), versus talvez 0,1 m (100 mm) para uma PCB portátil típica, o que significa um fator de escala de 30 000 000: 1 e, portanto, você pode tratá-la como uma corrente uniforme que muda periodicamente.

Por outro lado, suba para 6 GHz - para aplicações de RF de microondas como na tecnologia de transmissão de telecomunicações - e agora o comprimento de onda é 100 milhões de vezes menor, ou 30 mm. Isso é muito menor do que a escala do circuito, a onda é importante e agora você precisa de equações eletrodinâmicas mais complexas para entender o que está acontecendo e o bom e velho Kirchhoff não vai mais cortar a mostarda :)

— The_Sympathizer
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1

Uma resposta mais simples: porque componentes parasitas que não são desenhados em seu diagrama de circuito começam a desempenhar um papel:

a resistência em série (VHS) e a indutância em série dos capacitores,
aumento da resistência dos fios devido ao efeito da pele,
amortecimento paralelo (correntes parasitas) e capacitância paralela de indutores,
a capacitância parasitária entre os nós de tensão (por exemplo, entre traços de PCB, incluindo "terra"),
a indutância parasitária dos circuitos atuais,
a indutância acoplada entre os loops de corrente,
o acoplamento dos campos magnéticos entre indutores não blindados, o que pode depender da polaridade aleatória da colocação dos componentes,
...

Esse também é o tópico da EMC, muito importante se você deseja construir circuitos que realmente funcionam no campo.

Além disso, não se surpreenda se você não conseguir nem medir o que está acontecendo. Acima de um MHz, torna-se uma arte conectar adequadamente uma sonda de osciloscópio.

— StessenJ
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Você tem muitas respostas excelentes para sua pergunta, então não vou repetir o que já foi dito.

Vou tentar direcionar seus comentários para várias respostas. Pelos comentários que você postou, você parece ter um mal-entendido básico das leis físicas que governam os circuitos.

Você parece pensar que "mover elétrons em um fio" é algo não relacionado às ondas EM. E que as ondas EM entram em cena apenas em determinadas situações ou cenários. Isso está basicamente errado.

Como outros já disseram, as equações de Maxwell (MEs de agora em diante) são a chave para realmente entender a questão. Essas equações são capazes de explicar todos os fenômenos EM conhecidos pela humanidade, exceto os fenômenos quânticos. Portanto, eles têm uma ampla gama de aplicações. Mas esse não é o ponto principal que quero enfatizar.

O que você deve entender é que as cargas elétricas (elétrons, por exemplo), geram um campo elétrico ao seu redor apenas pela sua própria existência. E se eles se movem (isto é, se fazem parte de uma corrente elétrica), também geram um campo magnético .

Ondas EM itinerantes (o que as pessoas comuns geralmente entendem como "ondas" EM)) são apenas a propagação das variações de campos elétricos e magnéticos no espaço ("vácuo") ou qualquer outro meio físico.

Basicamente é o que dizem os EMs.

Além disso, os EMs também dizem que sempre que um campo varia (seja elétrico ou magnético), então "automaticamente" o outro campo passa a existir (e também varia). É por isso que as ondas EM são chamados Electro-Magnético : A (tempo-) variando campo elétrico implica a existência de um campo magnético (tempo-) variando e vice-versa. Não pode haver campo E variável sem um campo M variável e, simetricamente, não pode haver campo M variável sem um campo E variável.

Isso significa que se você tem uma corrente em um circuito e essa corrente não é CC (caso contrário, ela gera apenas um campo magnético estático), você TERÁ uma onda EM em todo o espaço ao redor do caminho da corrente . Quando digo "em todo o espaço", quero dizer "todo o espaço físico", independentemente de quais corpos ocupam esse espaço.

Obviamente, a presença de corpos altera a "forma" (isto é, as características) do campo EM gerado por uma corrente: de fato, os componentes são "corpos" projetados para alterar esse campo de maneira controlada.

A confusão no seu raciocínio pode vir do fato de que os componentes agrupados são projetados para funcionar bem apenas com a suposição de que os campos estão variando lentamente . Isso é chamado tecnicamente de suposição de campos quase-estáticos : supõe -se que os campos variem tão lentamente que sejam muito semelhantes aos presentes em uma verdadeira situação de DC.

Essa suposição leva a simplificações drásticas: nos permite usar as leis de Kirchhoff para analisar um circuito sem erros consideráveis. Isso não significa que ao redor e dentro dos componentes e das faixas da placa de circuito impresso não há ondas EM. De fato existem! A boa notícia é que seu comportamento pode ser reduzido de maneira útil a correntes e tensões com o objetivo de projetar e analisar um circuito.

— Lorenzo Donati apoia Monica
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Você está realmente fazendo duas perguntas: 1) "Por que as leis fundamentais dos circuitos quebram" em altas frequências CA. 2) Por que eles também deveriam quebrar ao usar "fios físicos reais ..."

A primeira pergunta foi abordada nas respostas anteriores, mas a segunda pergunta me leva a acreditar que sua mente não fez a transição de "elétrons em movimento" para ondas EM em movimento, que abordarei.

Independentemente de como as ondas EM sejam geradas, elas são as mesmas (exceto amplitude e frequência). Eles se propagam na velocidade da luz e em uma linha "reta" .
No caso específico, quando são gerados por cargas que fluem em um fio , a onda segue a direção do fio !
Em todo o momento , ao lidar com taxas móveis, você está lidando com ondas EM . No entanto, quando a razão entre o comprimento de onda e o tamanho do circuito é alta o suficiente, os efeitos de segunda e superior ordem são pequenos o suficiente para que, por motivos práticos, possam ser ignorados.

Espero que agora esteja claro que os fios servem apenas para direcionar as ondas EM, em vez de mudar sua natureza.

— Guill
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Fantástico! Essa era exatamente a minha preocupação.

— AlfroJang80

Uma última coisa. Assim, em corrente alternada de baixa frequência, os elétrons estão se movendo para frente e para trás e isso gera ondas emag que se propagam. No entanto, devido à baixa frequência, a quantidade de energia contida nessas ondas é desprezível e, portanto, não importa se as levarmos em consideração ou não. Na corrente alternada de alta frequência, essas ondas emag agora contêm muito mais energia e devemos levá-las em consideração, além de lembrar que as formas de onda de tensão e corrente também serão atrasadas em diferentes pontos do circuito. Isso está correto?

— precisa saber é o seguinte

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Você precisa mudar a maneira de pensar sobre eletricidade. Pense no conceito como um elétron oscilando no espaço vazio. Em CC, as oscilações empurram e deslocam elétrons no mesmo vetor direcional geral. Em altas frequências, os deslocamentos ocorrem em várias direções, a taxas mais altas e aleatoriamente, e toda vez que você desloca elétrons, algo acontece, e o uso das equações listadas aqui e nos livros ajuda a modelar o que acontecerá. Quando você está projetando, está tentando criar um modelo e identificar padrões do que está acontecendo e usá-lo para resolver problemas.

— CPU E dupla
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