¿Es una locura cuestionar que solo con un camino cerrado pueden moverse los electrones?

En primer lugar, permítanme decir que no me siento lo suficientemente seguro como para contarle a nadie nada sobre cómo funcionan los circuitos eléctricos ni nada sobre la física detrás de ellos porque simplemente no lo sé ni lo entiendo todo.

Pero muchas veces he leído que tiene que haber una ruta cerrada para que la corriente fluya en un circuito, lo que lleva a un hecho de que si no hay un circuito conductor cerrado, nada puede suceder.

Y he tomado eso como una verdad definitiva, pero me pregunto acerca de algo (y bien podría estar muy lejos del camino de la razón aquí).

Si tuviera que diseñar una placa de circuito que contenga trazas a través de las cuales fluirán señales de alta frecuencia (corrientes), entonces tengo que considerar cosas como reflexiones de señal, no sé en qué consisten las reflexiones en términos puramente físicos (pero tengo que imagine que una señal reflejada es una cierta cantidad de la (s) corriente (s) que se envió originalmente a través de la traza) pero aparentemente si envío una señal de alta frecuencia por una traza (o cable), entonces, bajo ciertas condiciones, la señal puede viajar hacia abajo rastrear (cable) solo para rebotar en algo y luego viajar de regreso a donde vino por primera vez. Donde podría rebotar de algo nuevamente y así puede rebotar hacia adelante y hacia atrás viajando a lo largo de la traza una y otra vez volviéndose más y más pequeño hasta que se extinga.

Esto es solo cosas de la parte superior de mi cabeza, cosas de las que nunca he adquirido una comprensión justa en primer lugar. Pero si restringimos el escenario a esta situación de muy alta frecuencia, si una señal o corriente puede reflejarse hacia donde vino, ¿por qué tendría que ser relevante si hay un circuito cerrado o no?

¿No podría un bucle roto presentar caminos para que esas corrientes reboten?

Sé que estoy en un nivel relativamente bajo de comprensión de estos asuntos complejos, pero ahora no sé por qué eso no sería posible. Sería muy feliz si alguien pudiera iluminarme.

Tengo una sola hipótesis sin nada que lo respalde, pero ¿tal vez el escenario de muy alta frecuencia altera la forma en que se utiliza un rastro de cobre para que, en cierto sentido, sea un circuito cerrado en sí mismo?

Tienes toda la razón.

La regla del "circuito cerrado" proviene de una simplificación que usamos a menudo en el análisis de circuitos llamada "modelo de componentes agrupados". Este modelo proporciona una buena aproximación al comportamiento real del circuito en CC y bajas frecuencias, donde se pueden ignorar los efectos de la inductancia parásita, la capacitancia y la velocidad de la luz.

Sin embargo, estos factores se vuelven significativos a altas frecuencias y ya no se pueden ignorar. Cualquier circuito de tamaño distinto de cero tiene inductancia y capacitancia, y es capaz de irradiar (o recibir) una onda electromagnética. Es por eso que la radio funciona en absoluto.

Una vez que comience a considerar las capacidades parásitas, descubrirá que todo está conectado a casi todo lo demás (más a objetos cercanos), y hay circuitos cerrados donde normalmente no esperaría encontrarlos.

Respondiendo a tu título:

¿Es una locura cuestionar que solo con un camino cerrado pueden moverse los electrones?

Las corrientes usualmente * viajan en bucles. Sin embargo, los bucles no necesitan estar completamente hechos de conductores (es decir, cobre). La corriente es un flujo de carga. Por lo tanto, todos los siguientes fenómenos físicos representan corriente:

• Electrones que fluyen en un alambre de cobre
• Los iones (que están cargados) se mueven entre los electrodos de una batería (o un condensador electrolítico)
• Electrones que vuelan a través del vacío (es decir, válvulas termiónicas, tubo de rayos catódicos)
• Y, por último pero no menos importante, la corriente de desplazamiento

El último responde a la pregunta "¿cómo puede pasar una corriente a través del dieléctrico de un capacitor?". Un resumen rápido es que las cargas que se acumulan en una placa de su condensador alejarán las cargas en la otra placa y darán la ilusión de que los electrones fluyen a través del dieléctrico de la tapa, mientras que en realidad no lo hacen. Una placa se está llenando de electrones, mientras que la otra se está drenando de electrones.

... * ¡Sí, por supuesto! Puede tener corrientes que no viajan en bucles: simplemente dispare un haz de electrones al espacio profundo, con suficiente velocidad para escapar del sistema solar. Obviamente, esto no es aplicable al diseño electrónico cotidiano.

Además, tiene un inconveniente: solo tienes una cierta cantidad de electrones para disparar ... y cuantos más electrones dispara tu "arma", más carga positiva se vuelve, lo que hace que enviar electrones fuera progresivamente más difícil.

Mientras que su circuito habitual, que es un bucle, recicla los mismos electrones (si es CC) o simplemente los mueve (CA), y funcionará mientras la batería / planta de energía nuclear / célula solar tenga energía disponible.

Regla 1. No existe un circuito abierto, excepto en condiciones de CC de estado estable .

Entre cada cable, cada parte e incluso cada átomo, hay capacitancia, resistencia e inductancia para algún otro cable, parte y átomo. Microscópico como puede ser, está ahí. Incluso dentro del cable o parte misma.

Sin embargo, si el circuito que está probando está en un estado de CC estable, la capacitancia y la inductancia no presentan carga, solo la resistencia sí, y eso es lo suficientemente alto como para no importar. Para que la corriente fluya en ese "Circuito", debe tener una ruta desde su punto de inicio hasta su punto final.

Regla # 2. No existen condiciones de DC Steady State.

Estamos nadando en un mar de ondas electromagnéticas. Como tal, un circuito de CC de estado estable es realmente imposible de lograr. Además, cada corriente en su circuito produce su propio campo electromagnético que interactúa entre sí Y con los campos externos. Siempre habrá lo que llamamos "ruido" en su circuito.

Regla n. ° 3: cuanto más rápido modulas un voltaje / corriente, más rutas potenciales de circuitos debes preocuparte

Esos pequeños circuitos invisibles que mencioné en la Regla # 1 tienen impedancias que cambian a medida que aumentan las frecuencias que intenta pasar. Como tal, cuanto más subimos, más tenemos que lidiar con efectos extraños como pérdida de señal, reflejos y emisión de ruido, por nombrar solo algunos.

Por suerte:

En su mayor parte, podemos descartar la mayoría de estos efectos porque, en las frecuencias que está utilizando, producen poca perturbación.

Un circuito de CA de 60Hz funciona básicamente igual que el diagrama del circuito indica si las conexiones no son largas. Podemos hacer la declaración audaz de que el circuito necesita estar completo para que la corriente fluya porque la corriente que realmente fluye básicamente no es lo suficientemente medible como para importar.

Sin embargo, si está intentando pasar una señal de 100 GHz por el mismo circuito, encontrará que los números ya no tienen sentido.

En cuanto a los bucles rotos ... Ver Regla # 1

¿Estás loco para cuestionar eso?

No, en realidad todo lo contrario. Siempre es bueno pensar profundamente y hacer preguntas como esa. Sin embargo, las respuestas pueden llevarte allí.

Un concepto que podría ayudarlo es el concepto de línea de transmisión. La línea de transmisión idealizada es aquella con una impedancia característica y un retraso fijo. Piense en la línea de transmisión como un rastro en una placa de circuito. El retraso se debe a que cuando se aplica un voltaje en un lado de la línea, hay un retraso antes de que pueda detectarse al final de la línea. Esperemos que esto tenga sentido. Lo que la traza realmente hace es permitir que un campo eléctrico se propague por la línea hacia la carga. El campo solo puede viajar a la velocidad de la luz, no más rápido. Por lo tanto, hay un período de tiempo en el que se ha aplicado el campo, pero la carga aún no lo ha sentido. Hmmm

Entonces, ¿cuál es la impedancia característica? Vamos a referirnos a él como Z. Cuando un voltaje (V) se aplica por primera vez a la entrada de una línea de transmisión, la corriente que fluye es estrictamente una función de Z. No importa cuál sea el otro extremo de la línea. Tal vez sea un circuito abierto o un cortocircuito o un inductor o condensador. Asumamos que es un circuito abierto. A pesar de esto, la corriente que fluye hacia la línea de transmisión será V / Z HASTA que el campo eléctrico se propague hasta el final de la línea reflejada y regrese a la fuente. En cierto sentido, el campo eléctrico está interrogando la línea y la carga, y cuando llega al final, vuelve una reflexión que trae información sobre la carga de regreso a la fuente. El reflejo que regresa desde el final de la línea puede reflejarse nuevamente cuando llega a la fuente,

Entonces, de todos modos, tiene razón al pensar que la corriente puede fluir hacia un "circuito abierto". Por supuesto, cuando esto sucede, o cuando es significativo, lo que significa es que necesita mejorar su modelo del circuito para tener en cuenta estas líneas de transmisión o capacitancias parásitas o lo que sea. La teoría de la línea de transmisión proporciona una manera de hacer esto.

Un caso especial de una línea de transmisión es cuando la carga al final es exactamente igual a la impedancia característica de la línea. Este podría ser el caso si una traza de PCB tiene una resistencia conectada al final, y el otro extremo de la resistencia pasa a GND. Cuando esto sucede, si el valor de la resistencia es el mismo que Z, en realidad no hay reflejo. Entonces, la corriente que fluye hacia la línea es simplemente I = V / Z. Como no regresa ningún reflejo, la corriente continúa siendo V / Z. Ahora consideremos reflexiones.

Cuando el final de la línea no termina en Z, habrá alguna reflexión. Esa reflexión se comporta exactamente de la misma manera que el campo eléctrico original que viaja por la línea, excepto que está volviendo hacia la fuente. Si la fuente termina con una resistencia de valor Z, la reflexión se absorberá completamente en la fuente. En otras palabras, si la impedancia de la fuente es Z, la reflexión de la carga se absorberá completamente, de la misma manera que si la carga es Z, no habrá reflexión hacia la fuente.

Pero si ni la carga ni la fuente terminan en Z, entonces la reflexión teóricamente continuará para siempre, rebotando de un lado a otro. Por supuesto, en el mundo real, el reflejo se extinguirá debido a algún tipo de pérdida de energía. Por lo menos, la resistencia distinta de cero del cable de cobre causará pérdidas.

Espero que puedas sacar algo de esto. Los efectos de la línea de transmisión pueden ser difíciles de asimilar al principio, especialmente si no tiene otra información de fondo. Así que intenté explicarlo de una manera algo intuitiva que espero te ayude.

Una antena es un "circuito abierto" si lo miras de cerca. Cuando se habla de corriente alterna, particularmente CA de radiofrecuencia, los conductores no son componentes idealizados sino que interactúan con su entorno. Si está hablando de reflexiones, está hablando de propiedades del conductor que no son proporcionales a las propiedades de las conexiones directas en un diagrama de circuito.

Hay circuitos reales construidos utilizando solo el tipo de arreglo de conductores etch-a-sketch en una PCB. Muchos circuitos y filtros de microondas no contienen más que una disposición de conductores que, en conexión con el espacio libre intermedio, en realidad corresponde a una composición compleja de inductividades y capacidades.

Cuando se ve a frecuencias mucho más bajas, incluida la CC, todo el circuito de microondas puede ser solo uno o dos conductores, al igual que una antena vista a frecuencias mucho más bajas que sus frecuencias operativas es solo una conexión abierta.

¿Dónde importan estos caminos ocultos / parásitos?

Considere acoplar de USTED al concreto debajo del piso: espacio de 1 cm, área de 0.1 metros por 0.3 metros, constante dieléctrica --- use la del aire (1.000002 o cerca).

¿Cuál es la capacitancia de usted al piso? o [9e-12Farad / metro * 1] * [0.1 * 0.3] / 0.01 = 9e-12 * 0.03 / 0.01 Capacitancia = 9e-12 * 3 = 36 picoFarad.

¿Asi que? Ahora toque un transformador de señal de neón, 50,000 voltios a 60Hz (377 radianes / segundo). El dV / dT = 50,000 (pico supuesto) * d (sin (60Hz) / dT) = 50,000 * 377 ~~~ 20 millones de voltios por segundo.

¿Cuál es la corriente a través de ti? I = C * dV / dt = 36 e-12 * 20e + 6 = 700 microamperios.

Quieres evitar eso. Incluso si no hay un circuito obviamente cerrado.

Estrictamente hablando, los electrones derivan en la dirección opuesta a la del flujo de corriente. Para que la corriente fluya (y la energía se mueva), necesita una diferencia de potencial (voltaje) entre los puntos de inicio y finalización. Tenga en cuenta que los electrones también se mueven dentro de los átomos, en capas orbitales, pero nadie sabe realmente cómo; tal vez dan vueltas en círculos.

Simplemente no es cierto, aunque, como muchas reglas, es una aproximación buena y útil cuando se aplica a las circunstancias apropiadas (circuitos de CC, circuitos de alimentación de CA de baja frecuencia, donde estamos interesados ​​principalmente en la transferencia de energía eléctrica).

Los electrones siempre se mueven, excepto en el cero absoluto (que no puede alcanzar). Suba la ganancia en cualquier amplificador lo suficientemente alto, e incluso con su entrada cuidadosamente protegida de cualquier influencia externa, se hará evidente un silbido (audio) u otra señal aleatoria. Estos son los electrones que se mueven alrededor de los circuitos de entrada bajo la influencia de su temperatura ambiente.

El almacenamiento de carga en condensadores es absolutamente fundamental para la electrónica moderna de estado sólido. Los estados lógicos son paquetes atrapados de electrones. En un dispositivo de memoria flash, un alto voltaje impulsa electrones a través de una barrera normalmente aislante en lo que efectivamente es la placa de un condensador y la puerta de un transistor de efecto de campo. Cuando se elimina el alto voltaje, los electrones permanecen fijos durante años (o más), y su presencia o ausencia se puede determinar si el transistor conduce. De hecho, es común medir una cantidad de electrones (que determina el voltaje en la puerta y, por lo tanto, el nivel de salida del transistor) y cuantificarlo en uno de los ocho niveles, almacenando tres bits como una de las ocho cantidades de electrones dentro de un solo transistor.

El circuito finalmente se cierra, cuando estos electrones se escapan como resultado del ruido térmico y el "túnel" cuántico. Como se mencionó anteriormente, esto lleva muchos años para suceder a menos que la celda se reescriba volviendo a aplicar el alto voltaje.