Por que um condutor simples começa a emitir ondas EM quando transmite um sinal?

Eu entendo que na placa de circuito traça com um relógio, se os harmônicos mais altos tiverem energia suficiente, isso resultará na emissão de ondas eletromagnéticas dos traços que criam EMI. O que eu não entendo é por que isso acontece em primeiro lugar?

Por que uma corrente de alta frequência precisa passar pelo condutor para emitir radiação EM e por que isso não ocorre com correntes de baixa frequência? O que eu entendo é que o rastreamento da placa está basicamente começando a se comportar como uma antena nesse caso, mas não sei o motivo.

A pergunta de acompanhamento ...

mas o que não entendo é por que o fluxo de elétrons que são entidades físicas resulta na emissão dessas ondas EM

Por que a "radiação" ocorre?

Vejamos isso especificamente, porque é uma preocupação comum (e excelente).

Aqui está um fio simples, conectado instantaneamente a uma fonte de tensão:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Neste momento, a diferença de potencial entre a extremidade esquerda do fio (adjacente à fonte) e o terra é de 1 volt.

A outra extremidade extrema do fio ainda está no terra (diferença 0) porque a força eletromotriz (tensão) da fonte ainda não se propagou para a outra extremidade do fio.

À medida que o tempo passa, a tensão no fio aumenta:

^{simule este circuito}

Os elétrons no condutor estão sendo acelerados pelo campo elétrico (a energia potencial da fonte é convertida em energia cinética nos elétrons).

Quando os elétrons chegam ao fim *, eles não podem continuar fisicamente - não há mais condutor para se propagar!

... mas essas cargas têm impulso na direção do fio (por exemplo, há energia cinética).

Quando as cargas param abruptamente no final do fio, a lei de conservação de energia exige que essa energia "vá para algum lugar" - não pode simplesmente desaparecer!

A resposta é radiação . A energia deixa o final do fio na forma de uma onda eletromagnética.

* Note-se que os mesmos elétrons que começam a se mover em uma extremidade do fio não são necessariamente os mesmos elétrons que atingem a outra extremidade do fio, mas isso não é material para a nossa discussão.

A queda

Muitas coisas legais caem disso. Por exemplo, você pode pensar no fio em nosso exemplo como sendo composto de infinitamente muitos fios menores. Para cada um deles, o mesmo comportamento seria verdadeiro (e é por isso que a radiação ocorre por todo o comprimento).

Você também pode ver por que a radiação resulta de uma mudança no campo eletromagnético (por exemplo, de uma mudança na corrente).

Você pode entender como as antenas lineares funcionam. No nosso exemplo, imagine agora que, no momento em que a tensão atinge o pico, podemos alternar a fonte de volta para 0,0V. Agora você teria a imagem idêntica, mas capotou (1.0V à direita, 0.0V à esquerda) e o processo recomeçaria.

Continue repetindo esse processo e os elétrons funcionariam infinitamente para frente e para trás (ao longo de todo o comprimento do fio) de uma extremidade à outra. Essa é uma antena linear perfeita ("radiador").

Se o fio fosse muito curto, haveria menos movimento e, se muito longo, haveria muito. A tensão continuaria aumentando mais abaixo do fio à medida que você reduz a tensão na seção próxima (resultados de interferência, que são difíceis de visualizar com apenas essas figuras simples).

Agora você pode intuir o comportamento do rastreamento ...

O que eu entendo é que o rastreamento da placa está basicamente começando a se comportar como uma antena nesse caso, mas não sei o motivo.

Em frequências baixas (na verdade, baixas taxas de borda em circuitos "digitais"), os elétrons têm tempo para chegar ao fim do fio antes que a fonte seja trocada e os elétrons sejam solicitados a voltar. Isso é chamado de "elemento agrupado".

A tensão em cada extremidade do fio é basicamente sempre a mesma. Este é o comportamento que ensinamos aos estudantes de eletrônica introdutórios (um fio é uma superfície equipotencial = mesma voltagem em todos os lugares).

À medida que a frequência aumenta, eles têm cada vez menos tempo para fazer o disparo e a tensão em cada extremidade do fio não pode mais ser garantida como sempre a mesma, como mostrado nas figuras anteriores.

No design da placa de circuito, você não precisa se preocupar muito com a radiação de elementos aglomerados. Uma aproximação simples é:

1. Encontre o tempo de subida mais rápido (1 / taxa de borda) na sua sinalização = Tr
2. Encontre a frequência máxima contida nesta aresta = f
3. Mantenha as trilhas em ordem de magnitude menor que o comprimento de onda correspondente

Isso é:

onde c_m é a velocidade da luz no meio (normalmente para um cobre sobre PCB FR-4 c_m é aproximadamente 1,5e8).

Em vez de um tratamento matemático rigoroso, aqui está uma explicação um pouco acenando com a mão:

Qualquer fio tem um campo magnético ao seu redor (perpendicular ao comprimento do fio) quando há uma corrente fluindo através dele. No entanto, o lançamento eficiente de uma onda eletromagnética também requer uma queda de tensão (campo E) em ângulo reto com o campo M (ao longo do comprimento do fio).

Em baixas frequências, a única queda de tensão é devido às perdas de I ² R no fio, e isso geralmente não é muito significativo. No entanto, à medida que a frequência aumenta, você tem dois efeitos que entram em jogo. Primeiro, as perdas de I ² R começam a subir como resultado do "efeito de pele" no fio. Segundo, o tempo finito de propagação de um sinal ao longo do fio significa que as extremidades do fio estão em voltagens diferentes conforme o sinal muda. Esse segundo efeito se torna particularmente significativo quando a frequência do sinal aumenta até o ponto em que 1/4 do comprimento de onda corresponde ao comprimento do fio.

Todos os sinais CA emitem radiação EM de seus condutores, mas a eficiência desse processo depende muito da razão entre o comprimento de onda do sinal e o comprimento da antena. As frequências mais altas têm comprimentos de onda mais curtos e irradiam com mais eficiência a partir do comprimento dos traços encontrados em uma PCB normal.

Se você tem um cabo conectado ao seu dispositivo, por exemplo, um cabo de alimentação ou áudio, parece uma antena mais longa que pode emitir uma faixa mais baixa de frequências.

Aqui está uma foto que pode ajudar: -

A imagem mostra uma antena parabólica, mas simplesmente é uma antena como um pedaço de fio ou um traço em uma placa de circuito impresso, mas lembre-se de que a antena foi projetada para emitir eficientemente em uma frequência específica, enquanto faixas e fios podem "ressoar" em vários comprimentos de onda. .

Perto do fio / antena parabólica / traço / antena, são produzidos campos elétricos e campos magnéticos que armazenam energia exatamente como indutores e capacitores - esses campos (próximos à antena) não irradiam muito longe. Observe na figura que as linhas pontilhadas se sobrepõem e se cruzam - a figura está tentando representar uma "incompatibilidade" entre os campos E e M. Estou procurando a palavra correta para usar aqui ... Pensei em "incoerência", mas talvez não, talvez exista uma palavra melhor do que incompatibilidade.

À medida que a distância aumenta para o equivalente a cerca de 1 x comprimento de onda, se a antena é eficiente, as partes E e M começam a "se alinhar" no tempo, ou seja, suas amplitudes aumentam e diminuem juntas. Antes disso (no campo próximo), existe uma cacofonia de desalinhamento, principalmente devido aos L e C da antena - os campos E e M não estão alinhados no tempo e, de fato, os campos E e M ao redor da antena podem ser desalinhado, aparentemente quase ao acaso.

À medida que a distância aumenta E se a antena é boa em fazer seu trabalho, no que é conhecido como campo distante, são produzidas ondas EM adequadas. Ainda é um fenômeno muito misterioso para mim!

Como você sabe, uma corrente constante através de um fio é cercada por um campo magnético, cuja força é proporcional à corrente. Você provavelmente também está familiarizado com o mecanismo de indução; um campo magnético variável cria um campo elétrico. Por extensão, uma corrente variável gera um campo elétrico fora do fio, uma propriedade frequentemente usada para transferir energia entre duas bobinas condutoras. A magnitude deste campo elétrico é determinada pela taxa de variação da corrente e, portanto, pela frequência.

Um campo magnético variável não apenas gera um campo elétrico, mas também funciona ao contrário. Em um eletroímã, um campo elétrico alternado é usado para produzir um campo magnético. Ao redor do fio, no que é aproximadamente 'espaço livre' (sem correntes ou cargas), os dois campos estão criando novas gerações um ao outro o tempo todo, embora na realidade não sejam tão discretos quanto essa explicação sugere. As novas gerações impulsionam a frente de onda. Esta é a onda eletromagnética.

Apesar da aparente simplicidade das equações envolvidas, o cálculo da propagação de campos eletromagnéticos é bastante avançado, mesmo para as geometrias idealizadas mais simples, mas é fácil induzir a partir do conhecimento do mecanismo (e matematicamente do derivado do tempo nas equações de Maxwell) que a intensidade de as ondas EM ao redor de um fio estão relacionadas à frequência de sua corrente, pois a mudança de corrente causou a onda. Os condutores que transportam correntes de baixa frequência também irradiam, mas apenas um pouco.