De ce apar undele de tensiune și curent pe o linie de transmisie în timpul unui scurtcircuit
Nu înțeleg asta intuitiv. Un scurtcircuit înseamnă pur și simplu că nu există impedanță. Dacă impedanța este mult mai mică decât cea a liniei de transmisie, undele ar trebui să circule necontrolate prin scurtcircuit. Undele de tensiune și curent reflectate înapoi nu au sens pentru mine.
răspuns
O undă electromagnetică se deplasează de-a lungul unei linii de transmisie. Acesta este un câmp electric și magnetic care variază în timp. Când arborele ajunge la un scurtcircuit, scurtcircuitul aplică regula că V = 0 în acest moment. Aceasta distruge condițiile în care valul poate continua să curgă. Deoarece câmpul electric din acest loc nu mai poate varia în timp. Fără această variație de timp, unda nu se poate mișca mai departe.
Și, întâmplător, creează și condițiile în care unda poate fi reflectată.
Puteți privi acest lucru și dintr-o perspectivă de economisire a energiei. O undă electromagnetică are energie. Este de fapt o formă de energie de călătorie. Scurtcircuitul nu poate disipa nicio energie (dacă V = 0, putere = 0). DAR valul nu se poate mișca mai departe, așa cum am menționat mai devreme. Așadar, nu există altceva decât o reflecție.
Ați putea spune că atunci când o undă lovește o sarcină într-o linie de transmisie, orice energie care nu este livrată sarcinii TREBUIE reflectată pentru a economisi energie. Desigur, dacă sarcina este o antenă, o parte din energie va fi radiată în spațiu, dar asta nu schimbă nimic. Antena este modelată ca un fel de sarcină, iar energia care este radiată în spațiu este explicată de un rezistor din model.
O linie de transmisie este uneori modelată ca o serie de elemente aglomerate. Cu fiecare increment mic de linie există o inductanță și o capacitate la fel de mici asociate cu aceasta.
Un impuls îngust care călătorește pe linie - să presupunem că trece doar de L4 - ar fi stocat în C4 și va trece acum prin L4 în drumul său spre încărcarea C5. Pe măsură ce trece prin L4, este salvat și acolo. Curentul inductor creează un câmp magnetic care se acumulează și apoi se prăbușește, creând tensiunea care încarcă C5. Pulsul continuă în acest fel de-a lungul liniei.
Când apare scurtcircuitul, tensiunea se apropie de zero și curentul ajunge la o valoare ridicată. Curentul prin inductanța scurtcircuitului stochează energia într-un câmp magnetic, iar când câmpul se prăbușește, curentul continuă (conform legii lui Lenz), dar tensiunea din inductor s-a inversat.
După ce am încercat să vin cu o explicație fără corzi, ecuații sau terminologie Star Trek, trebuie să spun că analogiile corzii sunt foarte bune. Și există o întrebare similară cu aceea și într-un răspuns un link către acest film Bell Labs care prezintă un demonstrator de val foarte interesant. Îi încurajez pe cititori să o vadă.
Să ne imaginăm valurile care se mișcă de-a lungul unei linii de transmisie. O undă de curent și o undă de tensiune. Raportul lor este impedanța de linie V/I. De exemplu, o undă de 50 V și o undă de 1A care se deplasează de-a lungul unei linii de 50 ohmi. Se mișcă întotdeauna împreună și V = 50 * I în fiecare punct.
Dacă întâmpină un circuit deschis, nu poate curge curent acolo. Deci, creați o undă înapoi, astfel încât mișcarea 1A înapoi să anuleze unda 1A înainte pentru a crea zero amperi în circuitul deschis (nu mă întrebați cum apare această undă înapoi, dar se observă că apare). Această undă inversă trebuie să aibă, de asemenea, o componentă de tensiune, care trebuie să fie, de asemenea, 50V, iar acestea se adună la 100V la celălalt capăt. Unda de 50V 1A se deplasează de-a lungul liniei înapoi la sursă.
Dacă lovesc un scurtcircuit, nu poate exista tensiune acolo. Deci, creați o undă inversă, astfel încât 50V să se rupă și să creați 0V pe scurtcircuit. Unda de 50V 1A se deplasează de-a lungul liniei înapoi la sursă.
Acum puteți vedea că, dacă linia schimbă brusc impedanța la 75 ohmi, nici o undă de 50 V 1A nu se poate propaga singură înainte. Se creează o mică undă înapoi, deci dacă adăugați tensiunea și curentul în punctul de tranziție, unda înainte va asculta acum V = 75 * I, iar unda înapoi va face diferența.
Imaginați-vă o frânghie lungă atașată la un perete. Capătul frânghiei este răsucit pentru a crea un „puls”. Pulsul se mișcă de-a lungul frânghiei până când lovește „peretele” sau NODUL. (o undă transversală rătăcitoare)
Pe perete, frânghia este împiedicată să se miște (adică un punct fără abatere).
Ceea ce se întâmplă este că o reacție egală și opusă pe „perete” creează un impuls ieșit din fază care se mișcă în direcția opusă.
Se generează suprapunerea impulsului înainte și reflectat soluția unică, că abaterea de pe perete (sau NOD) este zero.
Aceasta este o proprietate generală a valurilor. Într-o linie de transmisie, „peretele” este un scurtcircuit, iar „unda” este componenta câmpului electric al undei electromagnetice.
Încercați să vă aplicați „intuiția Kirchoff” de bază la un fenomen mult mai complex.
Undele dintr-un circuit pot fi descrise corect numai folosind ecuațiile lui Maxwell. Legile lui Kirchhoff sunt doar o aproximare a ecuațiilor lui Maxwell, care funcționează atunci când undele au o lungime de undă mult mai mare decât dimensiunile fizice ale circuitului, adică numai atunci când cea mai mare componentă de frecvență într-un semnal este mult mai mică decât c/d, unde c este viteza luminii și d este dimensiunea circuitului.
Aceasta înseamnă că KVL și KCL se aplică numai dacă circuitul funcționează în așa-numitele condiții cvasistostatice. În aceste condiții, puteți aproxima ecuațiile lui Maxwell și puteți elimina câțiva termeni din ele și puteți trata problema ca o problemă electrostatică, ca să spunem așa. În electrostatică, puteți defini un potențial electrostatic care este direct legat de câmpul electric (static). Aceasta dă definiția tensiunii. Electricitatea este, de asemenea, ușor de definit în termeni de densitate a curentului.
Când aceste ipoteze simpliste nu mai sunt valabile, nici măcar nu puteți defini stresul în mod corespunzător. În legătură cu liniile de transmisie, tensiunea poate fi definită în mod semnificativ doar între două puncte de pe același plan perpendicular pe direcția de propagare. Asta înseamnă că nu puteți măsura o tensiune între un punct de pe firul superior și un alt punct, să zicem la doi centimetri de celălalt fir (așa cum puteți face cu ușurință dacă KVL se oprește).
Concluzie: renunțați la „mentalitatea Kirchhoff” atunci când încercați să înțelegeți liniile de transmisie și dezvoltați un „mod de gândire maxwellian”.
În orice caz, acest fir ar putea să vă ofere mai multe informații în această direcție.
A EDITA (pentru a răspunde la un comentariu)
Simțul comun nu se aplică în acest domeniu (joc de cuvinte). Ai putea scăpa de o analogie foarte imperfectă (și de linkul pe care i l-am postat mai sus sau de celelalte răspunsuri de pe acest fir), dar atât. Există un motiv pentru care omenirea a avut nevoie de milenii pentru a înțelege și explica fenomenele electromagnetice (electricitatea statică a fost cunoscută experimental încă din Grecia antică, să nu mai vorbim de fulgere și consecințele sale). Dacă aceste fenomene ar fi fost ușor de înțeles cu bun simț, nu ar fi cerut înțelepților și oamenilor de știință să le înțeleagă.
Impedanța/rezistența ca element în care fluxurile de curent este un concept strâns legat de legile lui Kirchhoff și de analiza circuitelor elementelor blocate.
În teoria EM, impedanța are un sens complet diferit: nu leagă tensiunea de curent, ci mai mult sau mai puțin (fluturând mâna) câmpul E cu câmpul H.
Câmpurile nu curg ca curenții sau există ca tensiuni pe două puncte. Pentru a înțelege exact cum, de ce și când se răspândesc câmpurile este nevoie de o mulțime de matematică avansată. Ecuațiile lui Maxwell sunt, IMO, subiectul cel mai dificil din punct de vedere conceptual din fizică cu care trebuie să se ocupe un inginer electric în timpul învățământului său universitar (mecanica cuantică a barelor și fizica statului solid).