Como é que duas correntes elétricas podem viajar em direções opostas no mesmo fio, ao mesmo tempo, sem interferir entre si?

Uma Introdução à Teoria da Informação: Símbolos, Sinais e Ruído , de John R. Pierce, diz o seguinte:

Embora a linearidade seja uma propriedade verdadeiramente surpreendente da natureza, não é de modo algum uma propriedade rara. Todos os circuitos constituídos pelos resistores, capacitores e indutores discutidos no Capítulo I em conexão com a teoria de redes são lineares, assim como linhas e cabos telegráficos. De fato, geralmente os circuitos elétricos são lineares, exceto quando incluem tubos de vácuo, transistores ou diodos, e às vezes até esses circuitos são substancialmente lineares.

Como os fios de telégrafo são lineares, ou seja, porque os fios de telégrafo são de tal forma que os sinais elétricos neles se comportam de forma independente, sem interagir uns com os outros, dois sinais de telégrafo podem viajar em direções opostas no mesmo fio ao mesmo tempo, sem interferir um com o outro . No entanto, embora a linearidade seja um fenômeno bastante comum em circuitos elétricos, não é de modo algum um fenômeno natural universal. Dois trens não podem viajar em direções opostas na mesma via sem interferência. Presumivelmente, eles poderiam, no entanto, se todos os fenômenos físicos contidos nos trens fossem lineares. O leitor pode especular sobre o lote infeliz de uma raça verdadeiramente linear de seres.

Pensando nisso a partir de uma perspectiva física, fiquei imaginando como é que os fios de telégrafo são lineares, no sentido de que dois sinais de telégrafo (em outras palavras, duas correntes elétricas) podem viajar em direções opostas no mesmo fio, ao mesmo tempo , sem interferir um com o outro?

Eu estava pensando ingenuamente no arame como uma via de mão única e de mão dupla. Nesta analogia, os carros poderiam viajar em qualquer direção, mas não ao mesmo tempo. Pelo que entendi, em sólidos, o movimento de elétrons produz uma corrente elétrica, então os elétrons seriam os carros. Dada a explicação da linearidade do autor, o que está acontecendo aqui com os elétrons que permitem esse fluxo simultâneo de corrente bidirecional?

Não encontrei nada no página Wikipedia sobre circuitos lineares que esclarecesse essa propriedade física da linearidade.

Eu apreciaria muito se as pessoas pudessem, por favor, reservar um tempo para esclarecer isso.

PS: Eu não tenho formação em engenharia elétrica, portanto, uma explicação basicamente baseada em palavras é apreciada.

EDIT: Com base nos comentários do tópico anterior, entendo que minha analogia seria mais precisa se eu representasse os elétrons como carros de choque de dupla face e imagine a pista de mão dupla que eles habitam preenchida com esses carros, para que movimentos em qualquer direção (corrente elétrica em qualquer direção) são representados por um movimento seqüencial de "empurrão / empurrão", como uma onda, que é perpetuado por cada carro "batendo / empurrão" no que está na "frente" dele (no direção da corrente).

EDIÇÃO 2: Vejo muitas respostas que estão me dizendo que o cerne do meu mal-entendido vem do fato de eu assumir que corrente elétrica e sinal são a mesma coisa. E essas respostas estão corretas, eu estava assumindo que corrente elétrica e sinal são a mesma coisa, porque o autor sugere que elas são a mesma coisa no texto (ou ele não consegue diferenciar claramente as duas)! Veja os seguintes trechos do mesmo capítulo:

Enquanto Morse trabalhava com Alfred Vail, a antiga codificação foi abandonada e o que hoje conhecemos como o código Morse havia sido criado em 1838. Nesse código, as letras do alfabeto são representadas por espaços, pontos e traços. O espaço é a ausência de corrente elétrica, o ponto é uma corrente elétrica de curta duração e o traço é uma corrente elétrica de maior duração.

$$\vdots$$

A dificuldade que Morse encontrou com seu fio subterrâneo permaneceu um problema importante. Diferentes circuitos que conduzem uma corrente elétrica constante igualmente bem não são necessariamente adequados para a comunicação elétrica. Se alguém envia pontos e corre rápido demais por um circuito subterrâneo ou submarino, eles são executados juntos na extremidade receptora. Conforme indicado na Figura II-1, quando enviamos uma pequena rajada de corrente que liga e desliga abruptamente, recebemos na extremidade do circuito um aumento e uma queda de corrente mais longos e suavizados. Esse fluxo mais longo de corrente pode se sobrepor à corrente de outro símbolo enviado, por exemplo, como ausência de corrente. Assim, como mostrado na Figura II-2, quando um sinal claro e distinto é transmitido, ele pode ser recebido como uma subida e queda vagamente vagantes de corrente que é difícil de interpretar.

Obviamente, se aumentarmos nossos pontos, espaços e traços por tempo suficiente, a corrente no extremo oposto seguirá melhor a corrente no final do envio, mas isso diminui a taxa de transmissão. É claro que de alguma forma está associado a um determinado circuito de transmissão uma velocidade de transmissão limitada para pontos e espaços. Para cabos submarinos, essa velocidade é tão lenta que atrapalha os telegrafistas; para fios em postes, é tão rápido que não incomoda telegrafistas. Os primeiros telegrafistas estavam cientes dessa limitação, e ela também está no coração da teoria da comunicação.

Mesmo diante dessa limitação de velocidade, várias coisas podem ser feitas para aumentar o número de cartas que podem ser enviadas por um determinado circuito em um determinado período de tempo. Um traço leva três vezes mais tempo para ser enviado como um ponto. Logo se percebeu que se poderia ganhar por meio da telegrafia de corrente dupla. Podemos entender isso imaginando que, na extremidade receptora, um galvanômetro, um dispositivo que detecta e indica a direção do fluxo de pequenas correntes, esteja conectado entre o fio do telégrafo e o solo. Para indicar um ponto, o remetente conecta o terminal positivo da bateria ao fio e o terminal negativo ao terra, e a agulha do galvanômetro se move para a direita. Para enviar um traço, o remetente conecta o terminal negativo da bateria ao fio e o terminal positivo ao aterramento, e a agulha do galvanômetro se move para a esquerda. Dizemos que uma corrente elétrica em uma direção (no fio) representa um ponto e uma corrente elétrica na outra direção (fora do fio) representa um traço. Nenhuma corrente (bateria desconectada) representa um espaço. Na telegrafia de corrente dupla real, um tipo diferente de instrumento receptor é usado.

Na telegrafia de corrente única, temos dois elementos para construir nosso código: atual e sem corrente, que poderíamos chamar de 1 e 0. Na telegrafia de corrente dupla, realmente temos três elementos, que podemos caracterizar como corrente direta, ou corrente no fio; sem corrente; corrente reversa ou corrente fora do fio; ou como +1, 0, -1. Aqui, o sinal + ou - indica a direção do fluxo de corrente e o número 1 fornece a magnitude ou força da corrente, que neste caso é igual para o fluxo de corrente em qualquer direção.

Em 1874, Thomas Edison foi mais longe; em seu sistema de telégrafo quadruplex, ele usou duas intensidades de corrente e duas direções de corrente. Ele usou mudanças de intensidade, independentemente das mudanças na direção do fluxo atual, para enviar uma mensagem, e mudanças de direção do fluxo atual, independentemente das mudanças na intensidade, para enviar outra mensagem. Se assumirmos que as correntes diferem igualmente uma da outra, poderemos representar as quatro condições diferentes do fluxo de corrente por meio das quais as duas mensagens são transmitidas ao longo do circuito simultaneamente como +3, +1, -1, -3. A interpretação destes na extremidade receptora é mostrada na Tabela I.

A Figura II-3 mostra como os pontos, traços e espaços de duas mensagens simultâneas independentes podem ser representados por uma sucessão dos quatro diferentes valores atuais.

Claramente, a quantidade de informações que é possível enviar por um circuito depende não apenas da rapidez com que se pode enviar símbolos sucessivos (valores sucessivos de corrente) sobre o circuito, mas também de quantos símbolos diferentes (diferentes valores de corrente) existem disponíveis para escolher . Se tivermos como símbolos apenas as duas correntes +1 ou 0 ou, o que é igualmente eficaz, as duas correntes +1 e - 1, podemos transmitir ao receptor apenas uma das duas possibilidades de cada vez. Vimos acima, no entanto, que se podemos escolher entre qualquer um dos quatro valores atuais (qualquer um dos quatro símbolos) de cada vez, como +3 ou + 1 ou - 1 ou - 3, podemos transmitir por meio de esses valores atuais (símbolos) são duas informações independentes: se queremos dizer 0 ou 1 na mensagem 1 e se queremos dizer 0 ou 1 na mensagem 2. Portanto, para uma determinada taxa de envio de símbolos sucessivos, o uso de quatro valores atuais nos permite enviar duas mensagens independentes, cada uma com a mesma rapidez que dois valores atuais nos permitem enviar uma mensagem. Podemos enviar o dobro de letras por minuto usando quatro valores atuais, como poderíamos usar dois valores atuais.

E este livro não assume nenhum pré-requisito de física ou conhecimento de engenharia elétrica, portanto, parece improvável que os leitores sejam capazes de diferenciar entre sinal e corrente elétrica - especialmente considerando o fato de o autor parecer constantemente sugerir que eles são os mesmos ( ou não conseguir, de maneira clara, separar os dois para pessoas sem esse histórico).

A explicação da física é que os guias de onda (incluindo o espaço livre) têm modos ortogonais para as duas direções de propagação. Isso significa que os dois sinais que viajam em direções opostas não interferem. (Isto não é uma aproximação, haverá nenhuma interferência).

O dispositivo que separa o sinal "transmitido" e "recebido" é um circulador . Existe também no domínio óptico e pode ser usado para implementar a comunicação dúplex através de uma única fibra óptica. No domínio RF, pode ser usado para implementar a separação dos sinais de transmissão e recepção através de uma única antena (ao mesmo tempo e na mesma frequência, é claro). Praticamente se usa frequências diferentes para transmitir e receber, principalmente devido a razões técnicas. O circulador não possui um isolamento perfeito e a separação não funciona tão bem para sinais recebidos muito fracos. Mas se alguém tivesse um dispositivo circulador perfeito, o arranjo funcionaria.

No antigo sistema de telefone analógico, havia apenas um único par de fios, mas era possível falar e ouvir ao mesmo tempo.

TL / DR: Uma explicação muito elementar é que se tem tensão e corrente em um fio e que pode ser usado para transportar informações separadas em duas direções. Considere o seguinte:

De um lado do fio, há uma fonte de tensão controlável e a informação a ser transmitida é a tensão instantânea. No outro lado do fio, há uma fonte de corrente controlável (ou melhor, "coletor"). A informação a ser transmitida aqui é a corrente instantânea. Claramente, a estação 1 (aquela com a fonte de tensão) pode ler o sinal da fonte 2 apenas medindo a corrente através do fio. A estação 2 também pode receber o sinal da estação 1 medindo a tensão nos terminais de sua fonte de corrente. Portanto, isso prova que você pode transmitir informações em duas direções simultaneamente em um único par de fios. E se você duvida que talvez não seja possível conectar uma fonte / coletor de corrente a uma fonte de tensão. Isso é perfeitamente possível,

EDIT: Há também uma explicação elementar para as ondas: Uma onda de espaço livre possui um campo elétrico e magnético (E e H) oscilante. Eles são orientados com um ângulo de 90 ° no espaço e têm uma mudança de fase temporal de 90 °. É + 90 ° para a frente e -90 ° para a direção de propagação para trás (pode ser vice-versa, dependendo da escolha do sistema de coordenadas ou sinal de fase). Também a razão entre a amplitude do campo magnético e elétrico é fixada à impedância de onda do meio (que é de 377 Ohm para o vácuo). Se agora temos uma onda de propagação para frente e para trás, teremos a superposição dos campos elétrico e magnético em todo lugar no espaço e no tempo. No entanto, é possível uma separação ideal de ambas as ondas. Falando de maneira simples: os campos elétricos serão adicionados enquanto os campos magnéticos serão subtraídos (devido à mudança de fase total de 180 °). Como as amplitudes do campo E e H de cada componente têm uma proporção fixa, podemos substituir o campo H pelo E (ou vice-versa) e resolver as duas amplitudes do campo E das ondas de propagação para a frente e para trás. Isso demonstra que a separação ideal das duas direções de propagação é possível.

E a explicação física muito abstrata por trás disso é - como escrevi anteriormente - que os modos correspondentes às duas direções de propagação são sempre ortogonais e os sinais não interferem.

no sentido de que dois sinais telegráficos (em outras palavras, duas correntes elétricas) podem viajar em direções opostas no mesmo fio, ao mesmo tempo, sem interferir entre si

$0~V$$0~A$

Se duas ondas de corrente viajam na direção oposta, as ondas não têm problemas em passar uma pela outra, assim como duas ondas sonoras são capazes de viajar em direções opostas no mesmo meio.

(Aqui, o azul viaja para a esquerda, verde para a direita e a onda vermelha é a superposição resultante deles. A onda vermelha é a distribuição de corrente / tensão que é medida no fio ao longo do 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 lateral sobre DC:

Ter duas correntes fluindo em direções opostas cancelaria suas contribuições e resultaria em falta de corrente. Como alternativa, você pode se convencer de que uma corrente contínua (CC) não pode fluir em ambas as direções ao mesmo tempo, simplesmente pela Lei de Ohm :

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

Se igualarmos ambos os potenciais, não haverá diferença e a corrente será zero.

A única maneira de obter uma corrente nas duas extremidades é ter uma fonte no meio, o que não é realmente interessante.

O problema é seu: os sinais telegráficos não são correntes elétricas. (Podemos também dizer que os sinais telegráficos são voltagem.) Qual é o correto? Nem.

Para resolver isso, desista da eletrônica e, em vez disso, volte à física por trás dela. Na verdade, os sinais telegráficos (e mesmo todos os sinais elétricos em toda parte) são na verdade energia elétrica; mesma coisa que ondas de luz e rádio. Sinais são mudanças , e uma corrente variável envolve tensão, o mesmo que mudar tensões envolvendo corrente. Os sinais são os watts, não apenas amperes e não apenas volts.

A energia do sinal se comporta de maneira diferente das correntes nos circuitos. Enquanto a energia atravessa um circuito, os amplificadores ou o fluxo de carga não. As cargas simplesmente giram no loop como um todo, ou talvez balançem levemente para frente e para trás, mas a corrente não voa para frente na velocidade da luz. Algo sobrevoa a velocidade da luz. Medimos e discutimos em termos de watts ou "potência". Os amplificadores não voam rápido, os amplificadores são diferentes, os amplificadores são os movimentos lentos do "meio"; aquele mar de carga encontrado dentro de cada fio. Ondas versus médio. Um pouco como ondas sonoras versus vento. A corrente elétrica é como o vento, enquanto os sinais são como ondas sonoras. (E é claro que as ondas sonoras são um vento de vaivém! O ar balança, enquanto as ondas se propagam para a frente.)

Como dois sinais independentes podem passar através de um circuito elétrico? Primeiro, pergunte-se como duas ondas sonoras independentes são capazes de passar pela mesma região do ar. E em um lago, jogue duas pedras e pergunte a si mesmo como dois padrões de ondulação de bullseye passam um pelo outro sem interagir. Por que um feixe de laser não bloqueia outro sempre que eles se cruzam? É apenas algo que todas as ondas podem fazer, se o meio for linear. Em um sistema linear, as ondas podem adicionar e subtrair novamente, para que se cruzem sem interagir. Trabalha para a luz dentro de uma fibra óptica. Ele funciona para o som dentro de um tubo de órgão. Ele funciona para cabos coaxiais com pulsos indo em direções opostas e para sinais de telégrafo que se propagam na velocidade da luz através de um único par, um único circuito.

A resposta para sua pergunta envolve o capítulo das ondas do seu livro de física. A resposta para sua pergunta específica sobre circuitos abre um campo fascinante da eletrônica: reflexões de cabos e ondas estacionárias nos fios.

Por outro lado, duas correntes diretas não podem ocupar o mesmo circuito, pois perdem sua identidade, combinando-se para formar uma soma-corrente. (Não esqueça que todo circuito é um indutor de uma volta. Da mesma forma, duas tensões diferentes não podem ocupar o mesmo capacitor! Nos dois casos, elas se combinam e não podem ser subtraídas novamente.) Duas correntes diretas podem ocupar um único fio, sempre que esse fio for uma seção comum de dois circuitos separados. Mas eles fazem isso somando para formar uma terceira corrente dentro dessa seção comum. (Por exemplo, eles podem subtrair a corrente zero nessa seção, se forem iguais e opostos. Um elétron não pode realmente fluir em duas direções simultaneamente.)

No entanto, ao mesmo tempo, duas ondas de energia completamente independentes (sinais) podem se propagar através de um único circuito. QUÃO? Envolve E e M, e contém o segredo: para entendê-lo, precisamos olhar para os dois fios do par longo, e devemos incluir tensão e corrente. Sua pergunta não pode ser respondida desde que nos concentremos apenas em fios e correntes isolados, enquanto ignoramos os dois fios e a tensão que os atravessa.

Em um único circuito, a corrente é um círculo fechado, como um volante. Ele não começa em um lugar e flui para outro (em vez disso, apenas roda no sentido horário, CW ou talvez CCW, como uma correia de transmissão.) Uma corrente em um circuito é como um volante girado, um circuito fechado. Mas algo com certeza é unidirecional, certo? Sempre que uma bateria acende uma lâmpada, algo deve ir da bateria para a lâmpada e não retornar à bateria. Que algo não é atual. Em vez disso, é energia EM, onde o fluxo de energia é medido em termos de watts; de volts vezes amperes. Em um circuito de lanterna, a potência é um fluxo unidirecional rápido da bateria para a lâmpada. Mas a corrente é um muito lentafluxo circular. Novamente, o "sinal" que vai da bateria para a lâmpada é feito de energia EM, não amperes nem elétrons.

Então, aqui está o começo de sua resposta: em um único circuito, como podemos saber em que direção a energia elétrica está fluindo? Simples: veja o valor da potência. Especificamente: multiplique os volts entre os fios vezes os amplificadores através deles. Se o resultado for positivo, a energia estará fluindo em uma direção e, se for negativa, estará fluindo na outra. Com uma lanterna, conecte seu voltímetro e amperímetro para que eles produzam potência positiva quando os multiplicamos. Então, quando você remove a lâmpada e instala um carregador de bateria, a corrente é revertida, para que a energia flua para trás na bateria. (Essa idéia é crítica para a CA, onde, se as ondas V e I estiverem em sincronia, a energia flui continuamente para a frente, mas se V e eu estamos em 180 graus, a energia flui para trás.)

Assim, em um cabo longo, com um pulso elétrico com potência positiva, o pulso está aumentando ao longo da esquerda, enquanto que se a potência foi negativa, o pulso está indo para a direita. Se, de repente, conectarmos e desconectarmos a bateria da lanterna, iniciaremos uma onda de energia ao longo dos dois fios. Viaja na velocidade da luz e é absorvido pela lâmpada da lanterna, que acende. Se deixarmos a bateria conectada continuamente, ainda assim uma onda de energia flui para a lâmpada, mesmo que não haja ondulações. Esse é o primeiro conceito em engenharia básica de ondas: a propagação de energia elétrica através de circuitos ... e a idéia de que "DC" é realmente apenas "AC" em frequência muito baixa.

Voltando ao início novamente: como dois pulsos de sinal voam em direções opostas ao longo do mesmo par de fios? (Observe que ele deve ser um par de fios com volts incluído. Nem um único fio.) Pode ocorrer se um dos pulsos tiver potência positiva e for para a esquerda, enquanto o outro pulso tiver potência negativa e estiver indo para a direita. Um pulso pode ser composto de volts positivos e amplificadores positivos, enquanto o outro pulso é composto de volts negativos e amplificadores positivos. Ambos os pulsos são ondas EM.

PS

Ah, eu vejo outra abordagem! (Ignore, se desejar, já que ela é longa.) Suponha que tenhamos dois circuitos separados, duas lanternas, mas depois fundimos uma seção de fio curta de cada uma? Os dois circuitos têm um pedaço de fio em comum. Eles interagem? Não, porque dentro do fio comum, as correntes apenas adicionam e subtraem novamente. Cada bateria acende sua própria lâmpada de forma independente, porque cada loop do circuito possui sua própria voltagem e uma corrente de loop separadas. No entanto, nesse fio comum, parece que duas correntes elétricas diferentes estão fluindo! Eles não são, na verdade, porque uma "corrente de circuito" é a corrente em um loop inteiro, incluindo uma bateria, lâmpada e um anel inteiro de condutores. Nesse fio combinado, as duas correntes são adicionadas em uma extremidade do fio, depois subtraído novamente no outro. As duas ondas de energia em cada circuito permanecem independentes, mesmo que as correntes em seus fios comuns possam somar e subtrair.

Isso nos mostra que a resposta para sua pergunta original não pode envolver um único fio. Só pode ser respondido recuando e tendo uma visão mais ampla; incluindo também a tensão em dois fios.

Isso também mostra como funciona "linear" versus "não linear". No fio comum, em uma extremidade, as duas correntes se combinam somando. Mas então eles subtraem perfeitamente novamente no outro extremo. Isso permite que os dois loops permaneçam independentes. Mas e se isso não acontecesse, e as correntes no fio único não fossem uma combinação simples de soma? Aha, isso seria "NÃO-LINEAR". Nesse caso, não conseguimos separá-los de maneira limpa uma vez combinados. A "soma" de uma extremidade do fio não seria perfeitamente igual à "subtração separada" da outra extremidade e, nesse caso, os dois circuitos separados começariam a interagir. Uma bateria começaria a acender a outra lâmpada levemente. Os sinais dos dois circuitos realmente se misturam.

PPPPS

Esse tipo de pergunta tem uma longa história, e um livro popular sobre o assunto é THE MAXWELLIANS, de BJ Hunt. O infame Oliver Heaviside descobriu que os sinais de telégrafo eram na verdade ondas EM, mas ele foi quase reprimido por William Preece, chefe do escritório de telegrafia do Reino Unido, que "sabia" que pontos e traços eram simplesmente correntes, período, fim da história e não faça perguntas ou WH Preece vai fazer você se arrepender! :) Heaviside usou sua nova teoria EM de ondas por cabo para resolver um enorme problema de telegrafia: para qualquer sinal que viaja ao longo de linhas telegráficas de 100 km, os pontos desaparecem ou "ondulam" e, para as linhas telefônicas, a transmissão de longa distância é completamente distorcida impossível. (O problema foi encontrado na dispersão de ondas ou "chirp", em que as freqüências baixas viajam mais rápido que as altas.) s "a equação do telegrafista" e suas "bobinas de carregamento" corrigiam isso, deixando a telegrafia se tornar banda larga, mesmo em distâncias imensas. Ele criou, sozinho, o telefone de longa distância. Preece, porém, rapidamente interrompeu essa heresia, usando seu poder político para iniciar uma campanha anti-Heaviside de boatos na imprensa e uma campanha sussurrante entre engenheiros. Então, nos EUA, Pupin of Columbia fingiu inventar as bobinas de carregamento de Heaviside, patenteou-as e faturou milhões via Bell Telephone, enquanto Heaviside permaneceu quase sem um tostão, não ganhando fama até depois de sua morte. (Heh, uma história da Tesla / Marconi muito antes de Tesla e Marconi. Pupin até desempenhou um grande papel na queda de Tesla!) Então agora você vê por que estou apaixonada pela história das ondas telegráficas. Obcecado. Nem me inicie! Opa, muito tarde. :)

Andreas H mencionou o circulador para guias de ondas. Nos telefones analógicos, esse trabalho é realizado por um circuito híbrido imperfeito chamado bobina de indução anti sidetona (ASTIC). Uma bobina híbrida perfeita transmitia e recebia a fala simultaneamente e separadamente, ou seja, o sinal do seu transmissor viaja através dos fios para o receptor na outra extremidade e o sinal do transmissor distante viaja para o seu receptor no mesmo par de fios. Percebeu-se desde o início que as pessoas precisavam se ouvir falar, de modo que o ASTIC permite que parte do sinal do transmissor local passe através do receptor local.

Dentro de uma área de troca analógica local, o circuito seria de dois fios, de um telefone, através dos relés na troca para o outro telefone. Quando você começa a viajar entre trocas, o sinal é dividido por uma bobina híbrida na troca e a fala em uma direção viaja em um circuito diferente da fala na outra direção (circuito de junção de 4 fios). Isso permitiu que a fala fosse amplificada, uma vez que os amplificadores são unidirecionais (somente de sentido único). Na troca remota, os dois caminhos separados seriam recombinados por uma bobina híbrida e a última etapa da chamada seria em um par de fios.

A fala em telefones e trocas analógicas era de 300Hz a 3400Hz, portanto, são ondas EM de baixa frequência.

No entanto, se você estiver transferindo energia, CA ou CC, não teremos correntes diferentes seguindo caminhos diferentes no mesmo fio. Por exemplo, em um estado específico, as empresas de fornecimento de energia são obrigadas a fornecer uma porcentagem de energia 'verde', mas elas não possuem recursos de geração 'verdes' suficientes para comprar a energia de fora do estado. Ao mesmo tempo, eles vendem excedentes de energia não verde fora do estado. Se eles estão comprando e vendendo energia pela mesma interconexão (fios), não há dois fluxos de energia concorrentes viajando em direções opostas no mesmo fio. Se o Estado A estiver comprando 500MW de capacidade do Estado B e o Estado B estiver comprando 400MW de capacidade do Estado A, haverá um fluxo de 100MW do Estado B para o Estado A. A contabilidade pode indicar 500MW e 400MW, mas a realidade elétrica é 100MW.

Eles interferem.

Sinais elétricos viajam pelos fios como ondas na água. e quando duas ondas se encontram, você obtém interferência .

Porém, como os fios são lineares, a interferência assume a forma de adição e, portanto, não é destrutiva para a informação e, portanto, se você souber qual é um dos sinais, poderá encontrar o outro sinal por subtração.

As linhas telefônicas usam (usado?) Um circuito chamado híbrido que isola os sinais de entrada e saída, permitindo que um único circuito de cobre transmita sinais de voz nas duas direções.

O telégrafo provavelmente usou algo semelhante, tendo o remetente subtraído seu próprio sinal do que vê na linha, permitindo determinar o que estava chegando do outro lado ao mesmo tempo em que transmitia seu próprio sinal.

Você escreveu:

Como é que duas correntes elétricas podem viajar em direções opostas no mesmo fio, ao mesmo tempo, sem interferir entre si?

mas o texto original diz:

dois sinais telegráficos podem viajar em direções opostas no mesmo fio ao mesmo tempo sem interferir um no outro

Aqui está a contradição: um sinal de telégrafo e uma corrente elétrica não são a mesma coisa. A corrente elétrica é a superposição linear de ondas acionadas na linha pelos transdutores em cada extremidade. A corrente em um instante em um ponto da linha pode ter apenas um valor, mas podemos calcular esse valor calculando a contribuição das ondas a partir dos sinais impostos em cada extremidade da linha e juntando-os.

Como um sistema mais simples, mas diretamente observável, considere um som estéreo tocando em uma sala. Um alto-falante não altera a maneira como as ondas de pressão do outro alto-falante se propagam. O gradiente de pressão líquida em qualquer ponto no espaço e no instante é o resultado da adição das ondas de pressão de cada alto-falante.

Embora quantidades físicas como corrente ou pressão possam ter apenas um valor, se sabemos que essas quantidades são influenciadas por uma combinação aditiva de causas, o princípio de superposição linear permite que o sistema seja dividido em partes menores que podem ser consideradas separadamente: neste encaminhe a estação de telégrafo em cada extremidade da linha e as ondas que ela gera que se propagam pela linha.

Os sinais são feitos de ondas. As ondas passam uma pela outra e após a passagem são inalteradas. Ondas eletromagnéticas. As ondas no mar também se cruzam (embora às vezes tenham efeitos nos quais não vou entrar). "Interferir" foi uma má escolha da palavra pelo autor. Ninguém pode realmente dizer o porquê. Mas você já sabe instintivamente que as ondas podem passar umas pelas outras. Pense na luz que brilha de uma janela e entra pela janela ao mesmo tempo. Isso não parece desconcertante, não é?

Na sua pergunta, você usa a palavra "atual". Correntes são outra questão. A corrente em um fio é basicamente definida como o fluxo de carga após um ponto. Isso seria fluxo líquido. Portanto, não faz sentido falar sobre correntes passando de alguma forma uma pela outra.

Estou tentando evitar falar sobre efeitos de linhas de transmissão mais avançados, como capacitância e indutância, porque temo que apenas turvem ainda mais as águas. A conclusão é que os sinais podem passar um pelo outro e, durante a passagem, no local da passagem, eles se afetam. Mas após a passagem, eles continuam como se a passagem nunca tivesse acontecido. Basta pensar na luz passando pelos dois lados através de uma janela.

Não é atual, mas SINAL que viaja em qualquer uma ou em todas as direções. É por isso que um telefone não precisa interromper o som recebido quando você fala, e isso é mais familiar para nós do que os protocolos de telégrafo.

Isso é um pouco enigmático, chamado de 'híbrido', que apresenta um sinal para seu ouvido que tem principalmente o sinal do telefone distante e cria um sinal (modulação da corrente) de acordo com a sua voz aplicada ao microfone. O que você ouve não é a 'corrente no fio', que é igualmente modulada por duas vozes, é 90% da voz distante que você ouve e apenas 10% da sua. Um híbrido semelhante no outro extremo da conexão cancela a parte principal de sua entrada vocal, para que sua voz seja ouvida fortemente no receptor do telefone.

O híbrido é um circuito de adição de sinal, que tem acesso à sua voz e à combinação de duas vozes (na linha) e as combina para reforçar a mensagem à distância. Nada neste esquema está indisponível para um escritório de telégrafo, que também pode operar como uma estação de recebimento, mesmo enquanto está transmitindo.

NÃO está disponível com facilidade para um transmissor sem fio (do tipo não digital) que normalmente possui um interruptor de interrupção push-to-talk. Nossos celulares enviando pacotes digitais estão interrompendo bastante, rápido o suficiente para raramente nos incomodar, porque essa função híbrida interage mal com um receptor que sobrecarrega enquanto uma transmissão está em andamento.

Sua analogia está quebrada. Não pense em uma faixa de carros, a menos que você pense nos carros como carrinhos de choque juntos.

A velocidade média geral real dos elétrons se movendo através de um fio é bem lenta. A velocidade de desvio dos elétrons em um fio é tipicamente vários micrômetros / segundo, nem um pouco rápida.

O que se propaga através do fio viaja de elétron para elétron, da fonte ao destino. Esse processo acontece muito rapidamente, quase a velocidade da luz. Na analogia da rodovia, seria análogo bater no primeiro carro, e cada carro colidir com o da frente. Apesar de cada carro se mover lentamente em geral, uma onda pode se propagar através da corrente, desde que você possa atingi-la com força suficiente.

Várias ondas sonoras podem obviamente viajar pelo ar em várias direções simultaneamente. No entanto, quando você grita algo, uma única molécula não necessariamente viaja diretamente da sua boca para o ouvido do ouvinte. Em vez disso, o salto entre as moléculas através do ar é o que transmite o som. O mesmo se aplica aos sinais elétricos.

Considere a seguinte situação:

Vamos supor que temos um único par de fios com uma fonte de tensão controlável em uma extremidade e um coletor de corrente controlável na outra. Como ambas as extremidades podem medir o sinal da outra extremidade (na fonte de tensão, podemos medir corrente e na fonte de corrente, podemos medir tensão), podemos transmitir informações em ambas as direções. Não há multiplexação de frequência ou tempo envolvida. E não há interferência e não precisamos invocar a teoria das ondas.

Mais detalhes estão na minha resposta no Physics SE .

Um cabo aéreo de uma antena parabólica transporta correntes em duas direções - Um sinal de 18 Volts DC é fornecido pelo sintonizador para alimentar o LNB no ponto focal da antena e, ao mesmo tempo, o LNB envia um sinal de 4-12 GHz de volta ao sintonizador, pelo mesmo fio.

Ambas são correntes elétricas, mas uma é CC e é plana, a outra é a radiofrequência e varia.

É porque qualquer onda pode passar uma pela outra. Interferência ocorrerá, mas isso não interrompe as ondas.

É como perguntar por que duas ondas em uma lagoa podem passar uma pela outra. Se as ondas forem completamente opostas, elas se aniquilarão; caso contrário, elas se enfraquecerão e continuarão.

Foi observado por muitos engenheiros e pesquisadores (inclusive eu) que os condutores de metal têm comportamento linear em relação a correntes e tensões elétricas. No entanto, como na maioria dos materiais, o comportamento linear existe apenas em um determinado intervalo. Altos níveis de corrente resultarão em comportamento não linear. Com bons condutores, como cobre, prata e ouro, a faixa de comportamento linear é bastante grande. Esses metais têm baixa (mas não zero) resistência. (Se você pressupõe que os metais têm resistência zero, você terá previsões estranhas que não correspondem à realidade)

Em baixa densidade de corrente, há muitos espaços livres no metal para os electons se moverem, e eles não esbarram uns nos outros ou ficam presos com muita frequência. portanto, pouca energia é absorvida pelo metal e o comportamento parece linear (os carrinhos de choque são muito distantes)

Quando a densidade de corrente no metal se torna alta o suficiente, a corrente transfere energia significativa para o metal, o que altera sua resistência, e o comportamento se torna não linear. Como exemplo simples, é conectar um fio fino (como bitola 28) nos terminais de uma bateria de carro de 12V. O metal fica quente, eventualmente derrete e quebra o circuito. Este é um comportamento MUITO não linear. Esse fio provavelmente está carregando cerca de 50 A. (NÃO tente fazer isso sozinho - você pode obter pedaços de metal derretido, causando incêndios e danos graves aos olhos). Por outro lado, se eu colocar dois sinais nesse mesmo fio (antes de derreter) com 0,001 amp cada , o comportamento será bastante linear.

Esse cara está acenando para fazer uma observação mais existencial. Funciona em princípio, mas não como ele diz. E com sinal, não atual .

Heck, mesmo no rádio, dois transmissores podem e bloqueiam o uso simultâneo . Ouça isso em 1:25. Esse "Booooop" é um avião que reconhece "sua" folga na decolagem, mas pisando um no outro para que pelo menos um não seja ouvido.

Se você estiver usando um sistema de telégrafo DC, mesmo problema. Se quer chave de telégrafo pressionado para baixo, ele fará com que ambos sirenes ativados. Realmente não é possível enviar sinais DC em direções opostas no domínio DC (exceto por um estilo CSMA-CD, cortesia de esperar até que a outra pessoa termine e desconfiar de duas pessoas iniciando ao mesmo tempo).

No entanto, imagine se a estação telegráfica 1 transmite CC e a estação telegráfica 2 tem o seu receptor acústico conectado através de um bloqueador de bloqueio de CA. A estação 2 transmite ativando e desativando a 1000Hz CA, que somente a estação 1 pode ouvir porque o seu receptor possui um capacitor do tamanho certo, que passa por 1000 Hz CA, mas bloqueia a CC.

Você pode expandir isso para várias frequências CA usando filtros "passa-banda", que somente permitem uma determinada frequência. Considere o tom bah-boo-BEEP que acende o quartel dos bombeiros da série de TV Chicago Fire . Esse show é uma enorme homenagem e grito a um show dos anos 70 chamado Emergency , a origem dos tons. Emergência retrata um sistema de expedição de incêndio da década de 1960, onde várias frequências eram usadas exatamente dessa maneira.

Duas estações transmitindo ao mesmo tempo simplesmente criam um acorde no fio. As frequências devem ser escolhidas de maneira inteligente, para que os acordes não interfiram entre si.

Todas as estações ouvem todos os sinais. Eles simplesmente desconsideram "seus próprios alimentos para cães", ou seja, o sinal que estão transmitindo.

Pode ficar mais complexo, com ondas portadoras sendo moduladas. Neste ponto, estamos falando sobre espectro de rádio, mas em um fio .