Mengapa konduktor sederhana mulai memancarkan gelombang EM ketika membawa sinyal?

Saya mengerti bahwa pada papan sirkuit jejak dengan jam, jika harmonik yang lebih tinggi memiliki daya yang cukup, itu menghasilkan gelombang elektromagnetik yang dipancarkan dari jejak yang menciptakan EMI. Yang tidak saya mengerti adalah mengapa hal ini terjadi?

Mengapa arus frekuensi tinggi harus melewati konduktor untuk memancarkan radiasi EM dan mengapa ini tidak terjadi dengan arus frekuensi rendah? Apa yang saya pahami adalah bahwa jejak papan pada dasarnya mulai berperilaku sebagai antena dalam kasus ini, tetapi saya tidak tahu alasannya.

Pertanyaan tindak lanjut ...

tetapi yang tidak saya mengerti adalah mengapa aliran elektron yang merupakan entitas fisik menghasilkan emisi dari gelombang EM ini

Mengapa "radiasi" terjadi?

Mari kita lihat ini secara khusus, karena ini adalah masalah umum (dan sangat baik).

Ini adalah kabel sederhana, yang terhubung langsung ke sumber tegangan:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Pada saat ini, perbedaan potensial antara ujung kiri kabel (berdekatan dengan sumber) dan arde adalah 1 volt.

Ujung kawat yang ekstrim masih ada di tanah (perbedaan 0) karena gaya gerak listrik (tegangan) dari sumber belum merambat ke ujung kawat yang lain.

Seiring berjalannya waktu, tegangan turun kawat meningkat:

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Elektron dalam konduktor sedang dipercepat oleh medan listrik (energi potensial dari sumber diubah menjadi energi kinetik dalam elektron).

Ketika elektron mencapai ujung *, mereka tidak dapat secara fisik melanjutkan - tidak ada lagi konduktor untuk disebarkan!

... tetapi muatan ini memiliki momentum ke arah kawat (misalnya ada energi kinetik).

Ketika tuduhan tiba-tiba berhenti di ujung kawat, konservasi hukum energi mensyaratkan bahwa energi ini harus "pergi ke suatu tempat" - tidak bisa hilang begitu saja!

Jawabannya adalah radiasi . Energi meninggalkan ujung kawat dalam bentuk gelombang elektro-magnetik.

* Perlu dicatat bahwa elektron yang sama yang mulai bergerak di satu ujung kabel belum tentu elektron yang sama yang mencapai ujung lain dari kawat, tetapi ini bukan bahan untuk diskusi kita.

Kejatuhan

Banyak hal-hal yang rapi keluar dari ini. Sebagai contoh, Anda dapat menganggap kawat dalam contoh kami terdiri dari banyak kabel yang lebih kecil. Untuk masing-masing ini, perilaku yang sama akan berlaku (itulah sebabnya radiasi terjadi sepanjang seluruh).

Anda juga dapat melihat mengapa radiasi dihasilkan dari perubahan medan elektromagnetik (misalnya dari perubahan arus).

Anda dapat memahami cara kerja antena linier. Dalam contoh kita, sekarang bayangkan bahwa pada saat ketika tegangan memuncak di ujung, kita mengalihkan sumber kembali ke 0,0V. Anda sekarang akan memiliki gambar yang sama tetapi terbalik (1,0V di sebelah kanan, 0,0V di sebelah kiri) dan proses akan dimulai lagi.

Terus ulangi proses ini dan elektron akan terus berjalan bolak-balik (sepanjang seluruh kabel) tanpa henti dari satu ujung ke ujung lainnya. Itu antena linear yang sempurna ("radiator").

Jika kawat terlalu pendek, akan ada lebih sedikit gerakan dan jika terlalu lama, akan ada terlalu banyak. Tegangan akan terus meningkat lebih jauh ke bawah kawat saat Anda mengurangi tegangan di bagian terdekat (hasil interferensi, yang sulit untuk divisualisasikan hanya dengan angka-angka sederhana ini).

Sekarang Anda dapat melacak perilaku intuitif ...

Apa yang saya pahami adalah bahwa jejak papan pada dasarnya mulai berperilaku sebagai antena dalam kasus ini, tetapi saya tidak tahu alasannya.

Pada frekuensi rendah (benar-benar, kecepatan tepi rendah dalam sirkuit "digital"), elektron memiliki waktu untuk mencapai ujung kabel sebelum sumbernya diputar dan elektron diminta untuk kembali. Ini disebut "elemen yang disatukan".

Tegangan di setiap ujung kawat pada dasarnya selalu sama. Ini adalah perilaku yang kami ajarkan kepada siswa elektronik pengantar (kawat adalah permukaan yang ekuipotensial = tegangan yang sama di mana-mana).

Dengan meningkatnya frekuensi, mereka semakin sedikit waktu untuk melakukan perjalanan dan tegangan pada setiap ujung kawat tidak lagi dapat dijamin akan selalu sama seperti yang ditunjukkan pada gambar sebelumnya.

Dalam desain papan sirkuit, Anda tidak perlu terlalu khawatir tentang radiasi dari elemen yang disatukan. Perkiraan sederhana adalah:

1. Temukan waktu naik tercepat (laju 1 / tepi) dalam pensinyalan Anda = Tr
2. Temukan frekuensi maksimum yang terkandung di tepi ini = f
3. Menyimpan urutan magnitudo lebih pendek dari panjang gelombang yang sesuai

Itu adalah:

di mana c_m adalah kecepatan cahaya dalam medium (biasanya untuk tembaga lebih dari FR-4 PCB c_m adalah sekitar 1.5e8).

Alih-alih perlakuan matematika yang ketat, inilah penjelasan yang agak melambaikan tangan:

Setiap kawat memiliki medan magnet di sekitarnya (tegak lurus dengan panjang kawat) ketika ada arus yang mengalir melewatinya. Namun, meluncurkan gelombang elektromagnetik secara efisien juga membutuhkan penurunan voltase (medan E) pada sudut kanan ke medan M (sepanjang kawat).

Pada frekuensi rendah, satu-satunya penurunan tegangan adalah karena kehilangan I ² R di kawat, dan ini biasanya tidak terlalu signifikan. Namun, ketika frekuensinya naik, Anda memiliki dua efek yang ikut berperan. Pertama, kehilangan I ² R mulai naik sebagai akibat dari "efek kulit" di kawat. Kedua, waktu propagasi yang terbatas dari suatu sinyal di sepanjang kawat berarti bahwa ujung-ujung kawat berada pada tegangan yang berbeda ketika sinyal berubah. Efek kedua ini menjadi sangat signifikan ketika frekuensi sinyal naik ke titik di mana panjang gelombang 1/4 cocok dengan panjang kawat.

Semua sinyal AC memancarkan radiasi EM dari konduktornya, tetapi efisiensi proses ini sangat tergantung pada rasio panjang gelombang sinyal terhadap panjang antena. Frekuensi yang lebih tinggi memiliki panjang gelombang lebih pendek, dan memancarkan lebih efisien dari panjang jejak yang Anda temukan pada PCB normal.

Jika Anda memiliki kabel yang terhubung ke perangkat Anda, mis. Kabel daya atau audio, yang terlihat seperti antena yang lebih panjang yang mungkin memancarkan rentang frekuensi yang lebih rendah.

Berikut gambar yang mungkin membantu: -

Gambar menunjukkan antena parabola tetapi sangat sederhana itu adalah antena seperti sepotong kawat atau jejak pada PCB TAPI ingat, antena parabola dirancang untuk memancarkan secara efisien pada frekuensi tertentu sedangkan trek dan kabel dapat "beresonansi" pada beberapa panjang gelombang .

Dekat dengan kawat / piringan / jejak / antena, dihasilkan medan listrik dan medan magnet yang menyimpan energi seperti halnya induktor dan kapasitor - bidang-bidang ini (dekat dengan antena) tidak memancar sangat jauh. Perhatikan pada gambar, garis putus-putus bertumpang tindih dan berpotongan satu sama lain - gambar berusaha mewakili "ketidakcocokan" antara bidang E dan M. Saya mencari kata yang tepat untuk digunakan di sini ... Saya pikir "tidak koheren" tapi mungkin tidak, mungkin ada kata yang lebih baik daripada ketidakcocokan.

Ketika jarak meningkat menuju setara dengan sekitar 1 x panjang gelombang, jika antena efisien, bagian E dan M mulai "menyelaraskan" dalam waktu yaitu amplitudo mereka naik dan turun bersama. Sebelum itu (di bidang dekat) ada hiruk-pikuk misalignment yang terutama disebabkan oleh L dan C antena - bidang E dan M tidak selaras dalam waktu dan pada kenyataannya, bidang E dan M di sekitar antena dapat tidak selaras tampaknya hampir sembarangan.

Dengan meningkatnya jarak DAN jika antena pandai melakukan tugasnya, dalam apa yang dikenal sebagai medan jauh, gelombang EM yang tepat diproduksi. Ini masih merupakan fenomena yang sangat misterius bagi saya!

Seperti yang Anda ketahui, arus stabil melalui kawat dikelilingi oleh medan magnet, kekuatannya sebanding dengan arus. Anda mungkin juga akrab dengan mekanisme induksi; medan magnet yang berubah menciptakan medan listrik. Dengan ekstensi, arus yang berubah menimbulkan medan listrik di luar kawat, properti yang sering digunakan untuk mentransfer energi antara dua kumparan penghantar. Besarnya medan listrik ini ditentukan oleh laju perubahan arus dan frekuensi.

Tidak hanya medan magnet yang berubah menelurkan medan listrik, ia juga bekerja sebaliknya. Dalam sebuah elektromagnet, medan listrik bolak-balik digunakan untuk menghasilkan medan magnet. Di sekitar kawat, dalam apa yang kira-kira 'ruang bebas' (tidak ada arus atau muatan), kedua bidang ini menciptakan generasi baru di sekitar satu sama lain sepanjang waktu, meskipun pada kenyataannya tidak terpisah seperti penjelasan yang disarankan penjelasan ini. Generasi baru secara kontinu mendorong muka gelombang ke depan. Ini adalah gelombang elektromagnetik.

Terlepas dari kesederhanaan yang tampak dari persamaan yang terlibat, menghitung propagasi medan elektromagnetik cukup maju bahkan untuk geometri ideal yang paling sederhana, tetapi mudah untuk menginduksi dari pengetahuan mekanisme (dan secara matematis dari turunan waktu dalam persamaan Maxwell) bahwa intensitas gelombang EM di sekitar kawat terkait dengan frekuensi arusnya, karena perubahan arus menyebabkan gelombang. Konduktor yang membawa arus frekuensi rendah juga memancar, tetapi hanya sedikit.