¿Por qué un conductor simple comienza a emitir ondas EM cuando lleva una señal?

La pregunta de seguimiento ...

  

pero lo que no entiendo es por qué el flujo de electrones que son entidades físicas produce la emisión de estas ondas EM

¿Por qué ocurre la "radiación"?

Veamos esto específicamente, porque es una preocupación común (y excelente).

Aquí hay un cable simple, instantáneamente conectado a una fuente de voltaje:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

En este momento, la diferencia de potencial entre el extremo izquierdo del cable (adyacente a la fuente) y la tierra es de 1 voltio.

El otro extremo del cable está aún en tierra (0 diferencias) porque la fuerza electromotriz (voltaje) de la fuente aún no se ha propagado al otro extremo del cable.

A medida que pasa el tiempo, aumenta el voltaje en el cable:

^{simular este circuito}

Los electrones en el conductor están siendo acelerados por el campo eléctrico (la energía potencial de la fuente se convierte en energía cinética en los electrones).

Cuando los electrones llegan al final *, no pueden continuar físicamente, ¡no hay más conductores para propagarse!

... pero estas cargas tienen un impulso en la dirección del cable (por ejemplo, hay energía cinética).

Cuando las cargas se detienen abruptamente al final del cable, la ley de conservación de la energía requiere que esta energía deba "ir a algún lugar", ¡no puede simplemente desaparecer!

La respuesta es radiación . La energía abandona el extremo del cable en forma de onda electromagnética.

* Cabe señalar que los mismos electrones que comienzan a moverse en un extremo del cable no son necesariamente los mismos electrones que llegan al otro extremo del cable, pero esto no es material para nuestra discusión.

Las consecuencias

Muchas cosas bonitas caen de esto. Por ejemplo, podría pensar que el cable en nuestro ejemplo está compuesto de infinitos cables más pequeños. Para cada uno de estos, el mismo comportamiento sería verdadero (por lo que la radiación se produce en toda la longitud).

También puede ver por qué la radiación resulta de un cambio en el campo electromagnético (por ejemplo, de un cambio en la corriente).

Puedes entender cómo funcionan las antenas lineales. En nuestro ejemplo, ahora imagine que justo en el momento en que la tensión alcanza su punto máximo en el extremo lejano, cambiamos la fuente de nuevo a 0.0V. Ahora tendría la imagen idéntica pero se volcó (1.0V a la derecha, 0.0V a la izquierda) y el proceso comenzaría nuevamente.

Sigue repitiendo este proceso y los electrones correrán sin parar de un extremo a otro (sobre toda la longitud del cable). Eso es una antena lineal perfecta ("radiador").

Si el cable fuera demasiado corto, habría menos movimiento y si fuera demasiado largo, habría demasiado. El voltaje seguiría aumentando a lo largo del cable a medida que reduce el voltaje en la sección cercana (resultados de interferencia, lo cual es difícil de visualizar con solo estas simples cifras).

Ahora puede intuir el comportamiento de rastreo ...

  

Lo que entiendo es que la traza de la placa está comenzando a comportarse como una antena en este caso, pero no sé la razón.

A bajas frecuencias (en realidad, bajas tasas de borde en circuitos "digitales"), los electrones tienen tiempo para llegar al final del cable antes de que la fuente se cambie y se solicite a los electrones que regresen. Esto se llama un "elemento agrupado".

El voltaje en cada extremo del cable es básicamente el mismo. Este es el comportamiento que enseñamos a los estudiantes de introducción a la electrónica (un cable es una superficie equipotencial = el mismo voltaje en todas partes).

A medida que aumenta la frecuencia, tienen cada vez menos tiempo para realizar el disparo y ya no se puede garantizar que la tensión en cada extremo del cable sea siempre la misma que se muestra en las figuras anteriores.

En el diseño de la placa de circuito, no necesita preocuparse mucho por la radiación de los elementos agrupados. Una aproximación simple es:

1. Encuentre el tiempo de subida más rápido (1 / velocidad de borde) en su señalización = Tr
2. Encuentre la frecuencia máxima contenida en este borde = f
3. Mantenga un orden de magnitud más corto que la longitud de onda correspondiente

Eso es:

$$ f = \ frac {1} {2T_r} $$

$$ \ lambda = \ frac {c_m} {f} $$

$$ l_ {track} < \ frac {\ lambda} {10} = \ frac {T_r c_m} {5} $$

donde c_m es la velocidad de la luz en el medio (por lo general, para un cobre sobre PCB FR-4 c_m es aproximadamente 1.5e8).

En lugar de un tratamiento matemático riguroso, aquí hay una explicación un tanto agitada:

Cualquier cable tiene un campo magnético a su alrededor (perpendicular a la longitud del cable) cuando fluye una corriente a través de él. Sin embargo, el lanzamiento eficiente de una onda electromagnética también requiere una caída de voltaje (campo E) en ángulo recto al campo M (a lo largo del cable).

En bajas frecuencias, la única caída de voltaje se debe a las pérdidas I ² R en el cable, y esto generalmente no es muy significativo. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia, tiene dos efectos que entran en juego. Primero, las pérdidas de I ² R comienzan a aumentar como resultado del "efecto piel" en el cable. En segundo lugar, el tiempo de propagación finito de una señal a lo largo del cable significa que los extremos del cable están en diferentes voltajes a medida que cambia la señal. Este segundo efecto se vuelve particularmente significativo cuando la frecuencia de la señal aumenta hasta el punto donde 1/4 de longitud de onda coincide con la longitud del cable.

Todas las señales de CA emiten radiación EM desde sus conductores, pero la eficiencia de este proceso depende en gran medida de la relación entre la longitud de onda de la señal y la longitud de la antena. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas e irradian de manera más eficiente desde la longitud de las trazas que se encuentran en una PCB normal.

Si tiene un cable conectado a su dispositivo, por ejemplo. Un cable de alimentación o de audio, que parece una antena más larga que podría emitir un rango de frecuencias más bajo.

Aquí hay una foto que podría ayudar:

Laimagenmuestraunaantenaparabólica,perosimplementeesunaantenacomountrozodecableounahuellaenunPCBPERO,recuerdequeelplatoestádiseñadoparaemitirdemaneraeficienteaunafrecuenciaparticular,mientrasquelaspistasyloscablespueden"resonar" en varias longitudes de onda.

Cerca del cable / antena parabólica / traza / antena, se producen campos eléctricos y campos magnéticos que almacenan energía al igual que lo hacen los inductores y los condensadores; estos campos (cerca de la antena) no irradian muy lejos. Observe en la imagen, las líneas de puntos se superponen y se intersectan entre sí: la imagen está tratando de representar una "incompatibilidad" entre los campos E y M. Estoy buscando la palabra correcta para usar aquí ... Pensé "incoherencia", pero tal vez no, tal vez haya una palabra mejor en lugar de incompatibilidad.

A medida que la distancia aumenta hacia el equivalente a aproximadamente 1 x longitud de onda, si la antena es eficiente, las partes E y M comienzan a "alinearse" en el tiempo, es decir, sus amplitudes aumentan y disminuyen. Antes de eso (en el campo cercano) hay una cacofonía de desalineación que se debe principalmente a la L y C de la antena; los campos E y M no están alineados en el tiempo y, de hecho, los campos E y M alrededor de la antena pueden estar desalineado en apariencia casi al azar.

A medida que aumenta la distancia Y si la antena es buena para hacer su trabajo, en lo que se conoce como el campo lejano, se producen las ondas EM adecuadas. ¡Todavía es un fenómeno muy misterioso para mí!

Como saben, una corriente constante a través de un cable está rodeada por un campo magnético, cuya fuerza es proporcional a la corriente. Probablemente también estés familiarizado con el mecanismo de inducción; Un campo magnético cambiante crea un campo eléctrico. Por extensión, una corriente cambiante da lugar a un campo eléctrico fuera del cable, una propiedad que a menudo se usa para transferir energía entre dos bobinas conductoras. La magnitud de este campo eléctrico está determinada por la tasa de cambio de la corriente y, por lo tanto, de la frecuencia.

Un campo magnético cambiante no solo genera un campo eléctrico, sino que también funciona al revés. En un electroimán, se utiliza un campo eléctrico alternativo para producir un campo magnético. Alrededor del cable, en lo que es aproximadamente "espacio libre" (sin corrientes o cargas), los dos campos están creando nuevas generaciones una alrededor de la otra todo el tiempo, aunque en realidad no son tan discretas como sugiere esta explicación. Las nuevas generaciones empujan con fuerza el frente de onda hacia adelante. Esta es la onda electromagnética.

A pesar de la aparente simplicidad de las ecuaciones involucradas, el cálculo de la propagación de los campos electromagnéticos es bastante avanzado incluso para las geometrías idealizadas más simples, pero es fácil inducirlo a partir del conocimiento del mecanismo (y matemáticamente del derivado del tiempo en las ecuaciones de Maxwell) que La intensidad de las ondas EM alrededor de un cable está relacionada con la frecuencia de su corriente, ya que el cambio en la corriente causó la onda. Los conductores que transportan corrientes de baja frecuencia también se irradian, pero solo ligeramente.