Suis-je fou de poser la question que les électrons ne peuvent bouger qu'avec un chemin fermé?

Tout d’abord, permettez-moi de dire que je ne me sens pas assez en confiance pour dire à qui que ce soit le fonctionnement des circuits électriques ou la physique qui les sous-tend, car je ne sais tout simplement pas ou ne comprends pas tout.

Mais j'ai souvent lu qu'il devait y avoir un chemin fermé pour que le courant puisse circuler dans un circuit, ce qui m'a amené à penser que rien ne peut arriver s'il n'y a pas de boucle conductrice fermée.

Et j'ai pris cela pour une vérité définitive, mais je m'interroge sur quelque chose (et je pourrais tout aussi bien être terriblement loin du chemin de la raison ici).

Si je devais concevoir un circuit imprimé contenant des traces à travers lesquelles des signaux à très haute fréquence (courants) circuleraient, je devrais alors envisager des choses comme les réflexions de signal, je ne sais pas en quoi consiste la réflexion en termes purement physiques (mais je dois imaginez qu’un signal réfléchi correspond à une certaine quantité du courant qui a été envoyé à l’origine dans la trace) mais apparemment, si j’envoie un signal haute fréquence dans une trace (ou un fil), il peut dans certaines conditions voyager dans la trace tracez (fil) seulement pour rebondir sur quelque chose et ensuite revenir jusqu’à sa source. Là où il pourrait rebondir de quelque chose encore et ainsi il peut rebondir en parcourant la longueur de la trace encore et encore, devenant de plus en plus petit jusqu'à ce qu'il s'éteigne.

Ce sont juste des choses qui me viennent à l’esprit, des choses sur lesquelles je n’ai jamais acquis une compréhension juste. Mais si nous limitons le scénario à cette situation de très haute fréquence, si un signal ou un courant peut être renvoyé vers son lieu d'origine, pourquoi devrait-il même être pertinent qu'il y ait une boucle fermée ou non.

Une boucle brisée ne pourrait-elle pas présenter des chemins dans lesquels de tels courants pourraient rebondir?

Je sais que je suis relativement peu au fait de ces questions complexes, mais je ne comprends pas pourquoi ce ne serait pas possible. Je serais très heureux si quelqu'un pouvait m'éclairer.

J'ai une seule hypothèse sans quoi que ce soit jamais pour la soutenir, mais peut-être que le scénario de très haute fréquence modifie la façon dont une trace de cuivre est utilisée de sorte qu'elle se présente sous une forme ou une autre en boucle fermée?

Tu as tout à fait raison.

La règle de "boucle fermée" découle d'une simplification que nous utilisons souvent dans l'analyse de circuit, appelée "modèle à composants localisés". Ce modèle fournit une bonne approximation du comportement réel du circuit en courant continu et dans les basses fréquences, où les effets de l'inductance parasite, de la capacité et de la vitesse de la lumière peuvent être ignorés.

Cependant, ces facteurs deviennent importants à haute fréquence et ne peuvent plus être ignorés. Tout circuit de taille différente de zéro a une inductance et une capacité, et est capable de rayonner (ou de recevoir) une onde électromagnétique. C'est pourquoi la radio fonctionne du tout.

Une fois que vous commencez à considérer les capacités parasites, vous découvrirez que tout est connecté à peu près à tout le reste (plus aux objets proches) et qu'il existe des boucles fermées où vous ne vous attendriez pas normalement à les trouver.

En réponse à votre titre:

Suis-je fou de poser la question que les électrons ne peuvent bouger qu'avec un chemin fermé?

Les courants * voyagent généralement en boucles. Toutefois, les boucles ne doivent pas nécessairement être entièrement constituées de conducteurs (c.-à-d. En cuivre). Le courant est un flux de charge. Par conséquent, tous les phénomènes physiques suivants représentent le courant:

• Electrons circulant dans un fil de cuivre
• Ions (chargés) se déplaçant entre les électrodes d'une batterie (ou d'un condensateur électrolytique)
• Electrons traversant le vide (vannes thermoioniques, tubes à rayons cathodiques)
• Et, dernier point mais non le moindre, le courant de déplacement

Le dernier répond à la question "Comment un courant peut-il passer à travers le diélectrique d'un condensateur?". En résumé, les charges accumulées sur l’une des plaques de votre condensateur les repoussent et donnent l’illusion que des électrons circulent dans le diélectrique du capuchon, alors qu’ils ne le sont pas. Une plaque se remplit d'électrons, tandis que l'autre est en train de se vider d'électrons.

... * Oui bien sûr! Vous pouvez avoir des courants ne se déplaçant pas dans des boucles: il suffit de lancer un faisceau d'électrons dans l'espace lointain, avec une vitesse suffisante pour échapper au système solaire. Évidemment, cela ne s'applique pas à la conception électronique au quotidien.

En outre, cela a un inconvénient: vous n’avez qu’un certain nombre d’électrons à tirer ... et plus votre "arme" tire, plus elle est chargée positivement, plus elle devient chargée positivement, ce qui rend l’envoi d’électrons de plus en plus difficile.

Tandis que votre circuit habituel, qui est une boucle, recycle les mêmes électrons (si DC) ou les fait juste bouger (AC), et fonctionnera tant que la batterie / centrale nucléaire / cellule solaire aura de l’énergie disponible.

Règle 1. Il n’existe pas de circuit ouvert, sauf dans des conditions de régime continu CC .

Entre chaque fil, chaque partie et même chaque atome, il existe une capacité, une résistance et une inductance à un autre fil, une partie et un atome. Aussi microscopique que cela puisse être, il est là. Même dans le fil ou une partie elle-même.

Cependant, si le circuit que vous testez est dans un état CC constant, la capacité et l'inductance ne présentent aucune charge, seule la résistance le permet, ce qui est assez élevé pour ne pas avoir d'importance. Pour que le courant circule dans ce "circuit", il doit avoir un chemin allant de son point de départ à son point de fin.

Règle n ° 2. Les conditions d'état stable DC n'existent pas.

Nous nageons dans une mer d’ondes électromagnétiques. En tant que tel, un circuit continu à l'état stationnaire est en fait impossible à réaliser. De plus, chaque courant de votre circuit produit son propre champ électromagnétique qui interagit ET avec ces champs extérieurs. Il y aura toujours ce que nous appelons du "bruit" dans votre circuit.

Règle n ° 3: Plus vous modulez une tension / un courant rapidement, plus vous devez vous inquiéter de circuits de circuit potentiels

Les petits circuits invisibles que j'ai mentionnés dans la règle 1 ont des impédances qui changent à mesure que les fréquences que vous essayez de dépasser augmentent. En tant que tel, plus nous montons, plus nous devons faire face à des effets étranges tels que la perte de signal, la réflexion et l’émission de bruit, pour ne nommer que ceux-là.

Heureusement:

Pour la plupart, nous pouvons écarter la plupart de ces effets car, aux fréquences que vous utilisez, ils produisent peu de perturbations.

Un circuit alternatif 60Hz fonctionne fondamentalement de la même façon que le schéma électrique indique si les connexions ne sont pas longues. Nous pouvons affirmer en toute sécurité que le circuit doit être complet pour que le courant puisse circuler, car le courant qui circule réellement n'est pas suffisamment mesurable pour avoir de l'importance.

Cependant, si vous essayez de transmettre un signal 100 GHz sur le même circuit, vous constaterez que les chiffres n'ont plus de sens.

En ce qui concerne les boucles cassées ... Voir la règle n ° 1

Êtes-vous fou de remettre en question cela?

Non, en fait tout à fait l'inverse. Il est toujours bon de réfléchir en profondeur et de poser des questions comme celle-là. Cependant, les réponses peuvent vous y conduire.

Un concept qui pourrait vous aider est le concept de ligne de transmission. La ligne de transmission idéalisée est une ligne avec une impédance caractéristique et un retard fixe. Pensez à la ligne de transmission comme une trace sur un circuit imprimé. Le retard est dû au fait qu’une tension est appliquée d’un côté de la ligne et qu’il faut attendre avant qu’elle soit détectée à la fin de la ligne. Espérons que cela a du sens. En réalité, la trace permet à un champ électrique de se propager à la charge le long de la ligne. Le champ ne peut se déplacer qu'à la vitesse de la lumière, pas plus vite. Donc, il y a une période de temps où le champ a été appliqué, mais la charge ne l'a pas encore senti. Hmmm.

Alors, quelle est l'impédance caractéristique? Appelons-le Z. Lorsqu'une tension (V) est appliquée pour la première fois à l'entrée d'une ligne de transmission, le courant qui s'écoule est strictement fonction de Z. Peu importe ce qui se trouve à l'autre bout de la ligne. Peut-être est-ce un circuit ouvert ou un court-circuit ou une inductance ou un condensateur. Supposons simplement qu'il s'agit d'un circuit ouvert. Malgré cela, le courant qui circule dans la ligne de transport sera V / Z JUSQU'À ce que le champ électrique se propage jusqu'à la fin de la ligne réfléchisse et revienne à la source. Dans un sens, le champ électrique interroge la ligne et la charge, et lorsqu'il arrive à la fin, une réflexion revient qui renvoie des informations sur la charge à la source. La réflexion qui revient à la fin de la ligne peut se refléter à nouveau quand elle arrive à la source,

Donc, de toute façon, vous avez raison de penser que le courant peut circuler dans un "circuit ouvert". Bien sûr, lorsque cela se produit, ou lorsque cela est important, cela signifie que vous devez améliorer votre modèle de circuit pour tenir compte de ces lignes de transmission ou de ces capacités parasites. La théorie de la ligne de transmission fournit un moyen de le faire.

Un cas particulier d’une ligne de transmission est le cas où la charge à la fin est exactement égale à l’impédance caractéristique de la ligne. Cela pourrait être le cas si une trace de carte de circuit imprimé a une résistance qui lui est connectée à la fin et que l'autre extrémité de la résistance passe à GND. Lorsque cela se produit, si la valeur de la résistance est la même que Z, il n'y a en réalité aucune réflexion. Donc, le courant qui passe dans la ligne est simplement I = V / Z. Comme aucune réflexion ne revient, le courant continue d'être V / Z. Considérons maintenant les réflexions.

Lorsque la fin de la ligne n'est pas terminée en Z, il y aura une réflexion. Cette réflexion se comporte exactement de la même manière que le champ électrique d'origine parcourant la ligne, sauf qu'il revient vers la source. Si la source est terminée par une résistance de valeur Z, la réflexion sera complètement absorbée à la source. En d'autres termes, si l'impédance de la source est Z, la réflexion de la charge sera totalement absorbée, de la même manière que si la charge est Z, il n'y aura pas de réflexion en retour vers la source.

Mais si ni la charge ni la source ne sont terminées en Z, alors la réflexion continuera théoriquement pour toujours, rebondissant. Bien sûr, dans le monde réel, la réflexion disparaîtra à cause d'une sorte de perte d'énergie. Si rien d'autre, la résistance non nulle du fil de cuivre causera des pertes.

J'espère que vous pourrez en tirer quelque chose. Les effets de ligne de transmission peuvent être difficiles à assimiler au début, surtout si vous n’avez pas d’autres informations de base. J'ai donc essayé de l'expliquer d'une manière un peu intuitive qui, je l'espère, vous aidera.

Une antenne est un "circuit ouvert" si vous la regardez de près. Quand on parle de courant alternatif, en particulier de fréquences radio CA, les conducteurs ne sont pas des composants idéalisés mais interagissent avec leur environnement. Si vous parlez de réflexions, vous parlez de propriétés du conducteur qui ne correspondent pas aux propriétés de connexions directes dans un schéma de circuit.

Il y a des circuits réels construits en utilisant simplement des agencements de type conducteur-graveur-esquisse sur une carte à circuit imprimé. De nombreux circuits et filtres hyperfréquences ne contiennent qu'un ensemble de conducteurs qui, en relation avec l'espace libre situé entre eux, correspond en réalité à une composition complexe d'inductances et de capacités.

Visionné à des fréquences beaucoup plus basses, y compris en courant continu, le circuit à micro-ondes tout entier peut ne comporter qu'un ou deux conducteurs, tout comme une antenne visualisée à des fréquences beaucoup plus basses que ses fréquences de fonctionnement n'est qu'une connexion ouverte.

Où ces chemins cachés / parasites ont-ils de l'importance?

Envisagez le couplage de VOUS avec le béton sous le plancher: espacement de 1 cm, surface de 0,1 mètre sur 0,3 mètre, constante diélectrique - utilisez celle de l’air (1,000002 ou proche).

Alors? Maintenant, touchez un transformateur de néon, 50 000 volts à 60Hz (377 radians / seconde). Le dV / dT = 50 000 (maximum supposé) * d (sin (60Hz) / dT) = 50 000 * 377 ~ 20 ~ 20 millions de volts par seconde.

Quel est le courant à travers vous? I = C * dV / dt = 36 e-12 * 20e + 6 = 700 microAmps.

Vous voulez éviter ça. Même s'il n'y a pas de circuit visiblement fermé.

Strictement parlant, les électrons dérivent dans le sens opposé à celui du courant. Pour que le courant circule (et l'énergie se déplace), vous avez besoin d'une différence de potentiel (tension) entre les points de départ et d'arrivée. Notez que les électrons se déplacent également dans les atomes, dans les coques orbitales, mais personne ne sait vraiment comment; peut-être qu'ils tournent en rond.

Ce n'est tout simplement pas vrai, bien que, comme beaucoup de règles, il constitue une approximation utile et utile lorsqu'il est appliqué aux circonstances appropriées (circuits à courant continu, circuits de secteur à basse fréquence, où nous nous intéressons principalement au transfert de puissance électrique).

Les électrons sont toujours mouvement, sauf au zéro absolu (que vous ne pouvez pas atteindre). Augmentez suffisamment le gain de l'amplificateur et, même si son entrée est soigneusement protégée de toute influence extérieure, un sifflement (audio) ou un autre signal aléatoire deviendra évident. Ce sont les électrons qui se bousculent dans le circuit d’entrée sous l’influence de sa température ambiante.

Le stockage de charge sur les condensateurs est absolument fondamental pour l'électronique à l'état solide moderne. Les états logiques sont des paquets d'électrons piégés. Dans un dispositif de mémoire flash, une haute tension entraîne les électrons à travers une barrière normalement isolante sur ce qui est effectivement la plaque d'un condensateur et la grille d'un transistor à effet de champ. Lorsque la haute tension est supprimée, les électrons restent en place pendant des années (ou plus) et leur présence ou leur absence peut être déterminée en fonction de la conductivité du transistor. En effet, il est courant de mesurer une quantité d'électrons (qui détermine la tension sur la grille et donc le niveau de sortie du transistor) et de la quantifier sur l'un des huit niveaux, stockant ainsi trois bits comme l'une des huit quantités d'électrons dans un seul transistor.

Le circuit finit par se fermer lorsque ces électrons s'échappent sous l'effet du bruit thermique et du "tunneling" quantique. Comme mentionné ci-dessus, cela prend plusieurs années à moins que la cellule ne soit réécrite en réappliquant la haute tension.