Antes de tudo, deixe-me declarar que não me sinto confiante o suficiente para contar a alguém sobre como os circuitos elétricos funcionam ou sobre a física por trás deles, porque simplesmente não sei nem entendo tudo.
Mas eu já li muitas vezes que deve haver um caminho fechado para a corrente fluir em um circuito, levando ao fato de que, se não houver um circuito condutor fechado, nada poderá acontecer.
E considerei isso uma verdade definitiva, mas me pergunto sobre alguma coisa (e talvez eu esteja muito longe do caminho da razão aqui).
Se eu fosse projetar uma placa de circuito que contenha traços através dos quais fluirão sinais de alta frequência (correntes), então eu tenho que considerar coisas como reflexões de sinais, não sei em que consiste a reflexão em termos puramente físicos (mas tenho que imagine que um sinal refletido é uma certa quantidade de corrente (s) que foi originalmente enviada através do traço), mas aparentemente se eu enviar um sinal de alta frequência por um traço (ou fio), em determinadas condições, o sinal poderá viajar pela traçar (fio) apenas para ricochetear em algo e depois viajar de volta para onde ele veio primeiro. Onde ele pode ricochetear em alguma coisa novamente e, assim, pode rolar para frente e para trás percorrendo o comprimento do traço repetidas vezes, ficando cada vez menor até desaparecer.
Isso é apenas coisas do topo da minha cabeça, coisas que eu nunca adquiri um entendimento justo em primeiro lugar. Mas se restringirmos o cenário a essa situação de frequência muito alta, se um sinal ou corrente puder ser refletido de volta para onde ele veio, por que teria que ser relevante se houvesse um circuito fechado ou não.
Um loop quebrado não poderia apresentar caminhos para que essas correntes retornassem?
Sei que estou com um nível relativamente baixo de insights sobre esses assuntos complexos, mas agora não sei por que isso não seria possível. Eu ficaria muito feliz se alguém pudesse me esclarecer.
Eu tenho uma única hipótese sem nada para apoiá-lo, mas talvez o cenário de frequência muito alta altere a maneira como um cobre traçado é utilizado, de modo que, de algum modo, é um circuito fechado em si mesmo?
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Respostas:
Você está completamente certo.
A regra do "circuito fechado" vem de uma simplificação que costumamos usar na análise de circuitos chamada "modelo de componentes agrupados". Este modelo fornece uma boa aproximação ao comportamento real do circuito em frequências DC e baixas, onde os efeitos da indutância parasitária, capacitância e velocidade da luz podem ser ignorados.
No entanto, esses fatores se tornam significativos em altas frequências e não podem mais ser ignorados. Qualquer circuito de tamanho diferente de zero possui indutância e capacitância e é capaz de irradiar (ou receber) uma onda eletromagnética. É por isso que o rádio funciona.
Depois de começar a considerar as capacitâncias parasitas, você descobrirá que tudo está conectado a praticamente todo o resto (além de objetos próximos), e existem loops fechados onde você normalmente não esperaria encontrá-los.
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Respondendo ao seu título:
As correntes geralmente * viajam em loops. No entanto, os loops não precisam ser totalmente feitos de condutores (ou seja, cobre). A corrente é um fluxo de carga. Portanto, todos os seguintes fenômenos físicos representam corrente:
O último responde à pergunta "como uma corrente pode passar pelo dielétrico de um capacitor?". Um resumo rápido é que as cargas acumuladas em uma placa do seu capacitor afastam as cargas da outra placa e dão a ilusão de que elétrons estão fluindo através do dielétrico da tampa, enquanto na verdade não estão. Uma placa está se enchendo de elétrons, enquanto a outra está sendo drenada.
... * Sim, claro! Você pode ter correntes que não viajam em loops: basta disparar um feixe de elétrons no espaço profundo, com velocidade suficiente para escapar do sistema solar. Obviamente, isso não se aplica ao design eletrônico diário.
Além disso, tem uma desvantagem: você só tem um certo número de elétrons para disparar ... e quanto mais elétrons sua "arma" dispara, mais carregada positivamente se torna, tornando o envio de elétrons progressivamente mais difícil.
Enquanto o seu circuito habitual, que é um loop, recicla os mesmos elétrons (se CC) ou apenas os contorna (CA), e funcionará enquanto a bateria / usina nuclear / célula solar tiver energia disponível.
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Regra 1. Não existe um circuito aberto, exceto em condições de estado estacionário de CC .
Entre todos os fios, todas as partes e até todos os átomos, há capacitância, resistência e indutância em relação a algum outro fio, parte e átomo. Por mais microscópico que seja, está lá. Mesmo dentro do fio ou peça em si.
No entanto, se o circuito que você está testando estiver em um estado CC estável, a capacitância e a indutância não apresentarão carga, apenas a resistência, e isso é alto o suficiente para não importar. Para que a corrente flua nesse "circuito", é necessário que haja um caminho desde o ponto inicial até o ponto final.
Regra # 2. Não existem condições de DC Steady State.
Estamos nadando em um mar de ondas eletromagnéticas. Como tal, é realmente impossível conseguir um circuito CC de estado estacionário. Além disso, toda corrente em seu circuito está produzindo seu próprio campo eletromagnético que interage entre si E com os campos externos. Sempre haverá o que chamamos de "ruído" em seu circuito.
Regra nº 3: quanto mais rápido você modula uma tensão / corrente, mais caminhos de circuito em potencial você precisa se preocupar
Esses pequenos circuitos invisíveis que mencionei na Regra # 1 têm impedâncias que mudam à medida que as frequências que você está tentando passar aumentam. Como tal, quanto mais alto vamos, mais temos que lidar com efeitos estranhos, como perda de sinal, reflexões e emissão de ruído, para citar apenas alguns.
Felizmente:
Na maioria das vezes, podemos descartar a maioria desses efeitos porque, nas frequências que você está usando, elas produzem pouco distúrbio.
Um circuito CA de 60Hz funciona basicamente da mesma forma que o diagrama do circuito indica se as conexões não são longas. Podemos afirmar com segurança que o circuito precisa estar completo para que a corrente flua, porque a corrente que está realmente fluindo basicamente não é mensurável o suficiente para importar.
No entanto, se você estiver tentando transmitir um sinal de 100 GHz pelo mesmo circuito, verá que os números não fazem mais sentido.
Quanto aos loops quebrados ... Ver Regra # 1
Você é louco por questionar isso?
Não, na verdade é exatamente o contrário. É sempre bom pensar profundamente e fazer perguntas assim. No entanto, as respostas podem levá-lo até lá.
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Um conceito que pode ajudá-lo é o conceito de linha de transmissão. A linha de transmissão idealizada é aquela com impedância característica e atraso fixo. Pense na linha de transmissão como um traço em uma placa de circuito. O atraso é causado porque, quando uma tensão é aplicada em um lado da linha, existe um atraso antes que ela possa ser detectada no final da linha. Espero que isso faça sentido. O que o traço realmente faz é permitir que um campo elétrico se propague pela linha até a carga. O campo só pode viajar na velocidade da luz, não mais rápido. Portanto, há um período em que o campo foi aplicado, mas a carga ainda não foi detectada. Hummm.
Então, qual é a impedância característica? Vamos nos referir a ele como Z. Quando uma tensão (V) é aplicada pela primeira vez à entrada de uma linha de transmissão, a corrente que flui é estritamente uma função de Z. Não importa o que está do outro lado da linha. Talvez seja um circuito aberto ou um curto-circuito ou um indutor ou capacitor. Vamos apenas assumir que é um circuito aberto. Apesar disso, a corrente que flui para a linha de transmissão será V / Z ATÉ que o campo elétrico se propague por todo o caminho até o final da linha refletir e volte à fonte. Em certo sentido, o campo elétrico está interrogando a linha e a carga e, quando chega ao fim, volta uma reflexão que traz informações sobre a carga de volta à fonte. A reflexão que volta do final da linha pode refletir novamente quando chegar à fonte,
Portanto, você está certo ao pensar que a corrente pode fluir para um "circuito aberto". Obviamente, quando isso acontece, ou quando é significativo, o que significa é que você precisa melhorar seu modelo de circuito para dar conta dessas linhas de transmissão ou capacitâncias parasitas ou o que seja. A teoria das linhas de transmissão fornece uma maneira de fazer isso.
Um caso especial de uma linha de transmissão é quando a carga no final é exatamente igual à impedância característica da linha. Este poderia ser o caso se um rastreio de PCB tiver um resistor conectado a ele no final e a outra extremidade do resistor for para GND. Quando isso acontece, se o valor do resistor é o mesmo que Z, na verdade não há reflexão. Portanto, a corrente que flui para a linha é simplesmente I = V / Z. Como nenhuma reflexão volta, a corrente continua sendo V / Z. Agora vamos considerar reflexões.
Quando o final da linha não termina em Z, haverá alguma reflexão. Esse reflexo se comporta exatamente da mesma maneira que o campo elétrico original viajando pela linha, exceto que está voltando para a fonte. Se a fonte terminar com um resistor de valor Z, a reflexão será completamente absorvida na fonte. Em outras palavras, se a impedância da fonte for Z, a reflexão da carga será totalmente absorvida, da mesma maneira que se a carga for Z, não haverá reflexão de volta para a fonte.
Mas se nem a carga nem a fonte são terminadas em Z, então a reflexão continuará teoricamente para sempre, indo e voltando. Obviamente, no mundo real, a reflexão desaparecerá devido a algum tipo de perda de energia. Se nada mais, a resistência diferente de zero do fio de cobre causará perdas.
Espero que você consiga tirar algo disso. Os efeitos da linha de transmissão podem ser difíceis de assimilar no início, especialmente se você não tiver outras informações básicas. Então, tentei explicar de uma maneira um tanto intuitiva que espero que o ajude.
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Uma antena é um "circuito aberto" se você a observar com atenção. Ao falar sobre corrente alternada, particularmente CA de radiofrequência, os condutores não são componentes idealizados, mas interagem com o ambiente. Se você está falando de reflexões, está falando de propriedades do condutor que não são proporcionais às propriedades de conexões diretas em um diagrama de circuitos.
Existem circuitos reais construídos usando apenas arranjos de condutores do tipo gravar um esboço em uma PCB. Muitos circuitos e filtros de micro-ondas não contêm mais do que um arranjo de condutores que, em conexão com o espaço livre intermediário, na verdade corresponde a uma composição complexa de indutividades e capacidades.
Quando visto em frequências muito mais baixas, incluindo CC, todo o circuito de microondas pode ser apenas um ou dois condutores, assim como uma antena vista em frequências muito mais baixas do que suas frequências operacionais, é apenas uma conexão aberta.
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Onde esses caminhos ocultos / parasitários são importantes?
Considere o acoplamento de VOCÊ ao concreto embaixo do piso: espaçamento de 1 cm, área de 0,1 metro por 0,3 metro, constante dielétrica - use a do ar (1,000002 ou próximo).
Qual é a capacitância de você para o chão? ou [9e-12Farad / metro * 1] * [0,1 * 0,3] / 0,01 = 9e-12 * 0,03 / 0,01 Capacitância = 9e-12 * 3 = 36 picoFarad.
Tão? Agora toque em um transformador de sinal de néon, 50.000 volts a 60Hz (377 radianos / segundo). O dV / dT = 50.000 (pico assumido) * d (sin (60Hz) / dT) = 50.000 * 377 ~~~ 20Milhões de volts por segundo.
Qual é a corrente através de você? I = C * dV / dt = 36 e-12 * 20e + 6 = 700 microAmps.
Você quer evitar isso. Mesmo se não houver um circuito obviamente fechado.
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Estritamente falando, os elétrons flutuam na direção oposta à do fluxo atual. Para que a corrente flua (e a energia se mova), você precisa de uma diferença de potencial (tensão) nos pontos de partida e chegada. Observe que os elétrons também se movem dentro dos átomos, nas conchas orbitais, mas ninguém realmente sabe como; talvez eles andem em círculos.
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Simplesmente não é verdade, embora, como muitas regras, seja uma aproximação boa e útil quando aplicada às circunstâncias apropriadas (circuitos CC, circuitos da rede CA de baixa frequência, onde estamos interessados principalmente na transferência de energia elétrica).
Os elétrons estão sempre em movimento, exceto no zero absoluto (que você não pode alcançar). Aumente o ganho em qualquer amplificador alto o suficiente e, mesmo com sua entrada cuidadosamente selecionada de qualquer influência externa, um silvo (áudio) ou outro sinal aleatório se tornará aparente. Estes são os elétrons que se agitam no circuito de entrada sob a influência de sua temperatura ambiente.
O armazenamento de carga nos capacitores é absolutamente fundamental para os eletrônicos de estado sólido modernos. Os estados lógicos são pacotes presos de elétrons. Em um dispositivo de memória flash, uma alta tensão direciona elétrons através de uma barreira normalmente isolante para o que é efetivamente a placa de um capacitor e a porta de um transistor de efeito de campo. Quando a alta tensão é removida, os elétrons permanecem retidos por anos (ou mais), e sua presença ou ausência pode ser determinada se o transistor é conduzido. De fato, é comum medir uma quantidade de elétrons (que determina a tensão no portão e, portanto, o nível de saída do transistor) e quantificá-la em um dos oito níveis, armazenando assim três bits como uma das oito quantidades de elétrons em um único transistor.
O circuito acaba sendo fechado quando esses elétrons vazam como resultado de ruído térmico e "tunelamento" quântico. Como mencionado acima, isso leva muitos anos para acontecer, a menos que a célula seja reescrita reaplicando a alta tensão.
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