Prečo sa na prenosovom vedení počas skratu objavujú vlny napätia a prúdu
Nerozumiem tomu intuitívne. Skrat jednoducho znamená, že neexistuje žiadna impedancia. Ak je impedancia oveľa menšia ako impedancia prenosového vedenia, vlny by mali nekontrolovane prechádzať skratom. Napäťové a prúdové vlny odrazené späť mi nedávali zmysel.
odpovedať
Elektromagnetická vlna sa šíri pozdĺž prenosového vedenia. Toto je časovo sa meniace elektrické a magnetické pole. Keď hriadeľ dosiahne skrat, skrat vynúti pravidlo, že V = 0 v tomto bode. To ničí podmienky, za ktorých môže vlna ďalej bežať. Pretože elektrické pole na tomto mieste sa už nemôže časom meniť. Bez tejto časovej zmeny sa vlna nemôže pohnúť ďalej.
A zhodou okolností tiež vytvára podmienky, za ktorých sa môže vlna odrážať.
Môžete sa na to pozrieť aj z pohľadu úspory energie. Elektromagnetická vlna má energiu. Je to vlastne forma cestovateľskej energie. Skrat nemôže rozptýliť žiadnu energiu (ak V = 0, výkon = 0). ALE vlna sa už nemôže pohnúť ďalej, ako už bolo spomenuté vyššie. Takže naozaj neexistuje nič iné ako reflexia.
Dalo by sa povedať, že keď vlna narazí na záťaž v prenosovom vedení, MUSÍ sa každá energia, ktorá sa nedodá do záťaže, odraziť, aby sa šetrila energia. Samozrejme, ak je záťažou anténa, časť energie bude vyžarovaná do vesmíru, ale to v skutočnosti nič nezmení. Anténa je modelovaná ako druh záťaže a energiu, ktorá je vyžarovaná do vesmíru, predstavuje v modeli odpor.
Prenosové vedenie je niekedy modelované ako séria koncentrovaných prvkov. S každým prírastkom malej čiary je s ním spojená rovnako malá indukčnosť a kapacita.
Úzky impulz putujúci po linke - povedzme, že práve prechádza L4 - by bol uložený v C4 a teraz bude prechádzať cez L4 na ceste k načítaniu C5. Pri prechode cez L4 sa tam tiež uloží. Prúd induktora vytvára magnetické pole, ktoré sa hromadí a potom sa zrúti a vytvorí napätie, ktoré nabíja C5. Pulz týmto spôsobom pokračuje po celej čiare.
Keď dôjde ku skratu, napätie sa priblíži k nule a prúd k vysokej hodnote. Prúd indukciou skratu uchováva energiu v magnetickom poli, a keď sa pole zrúti, prúd pokračuje (podľa Lenzovho zákona), ale napätie na tlmivke sa obrátilo.
Po pokuse prísť s vysvetlením bez lán, rovníc alebo terminológie Star Treku musím povedať, že analógy lán sú veľmi dobré. A je tu podobná otázka a v odpovedi je odkaz na tento film v Bell Labs, ktorý ukazuje veľmi zaujímavý demonštrátor vĺn. Odporúčam čitateľom, aby to videli.
Predstavme si vlny pohybujúce sa pozdĺž prenosovej linky. Prúdová vlna a vlna napätia. Ich pomer je impedancia vedenia V/I. Napríklad vlna 50 V a vlna 1A cestujúca pozdĺž línie 50 ohmov. Pohybujú sa vždy spolu a V = 50 * I v každom bode.
Ak narazia na otvorený okruh, nemôže tam pretekať žiadny prúd. Takže vytvoríte spätnú vlnu, takže spätný pohyb 1A zruší prednú vlnu 1A, aby v otvorenom obvode vytvoril nulové zosilňovače (nepýtajte sa ma, ako k tejto spätnej vlne dochádza, ale pozoruje sa, že k nej dôjde). Táto spätná vlna musí mať tiež napäťovú zložku, ktorá musí byť tiež 50 V, a na druhom konci sa sčítajú až do 100 V. Vlna 50V 1A postupuje pozdĺž čiary späť k zdroju.
Ak narazia na skrat, nemôže tam byť napätie. Takže vytvoríte reverznú vlnu tak, aby sa prerušilo 50V a na skratu bolo vytvorených 0V. Vlna 50V 1A postupuje pozdĺž čiary späť k zdroju.
Teraz môžete vidieť, že ak vedenie náhle zmení impedanciu na 75 ohmov, žiadna vlna 50 V 1A sa nemôže sama šíriť dopredu. Vytvorí sa malá spätná vlna, takže ak pridáte napätie a prúd v bode prechodu, predná vlna bude teraz poslúchať V = 75 * I a spätná vlna bude mať rozdiel.
Predstavte si dlhé lano pripevnené k stene. Koniec lana je skrútený, aby sa vytvoril „impulz“. Pulz sa pohybuje pozdĺž lana, kým nenarazí na „stenu“ alebo NODE. (bludná priečna vlna)
Na stene je zabránené pohybu lana (t. J. Bod bez odchýlky).
Stane sa to, že rovnaká a opačná reakcia na „stene“ vytvorí impulz mimo fázu, ktorý sa pohybuje opačným smerom.
Generuje sa superpozícia dopredného a odrazeného impulzu jedinečné riešenie, že odchýlka na stene (alebo NODE) je nulová.
Toto je všeobecná vlastnosť vĺn. V prenosovom vedení je „stena“ skrat a „vlna“ je zložkou elektrického poľa elektromagnetickej vlny.
Snažíte sa uplatniť svoju základnú „Kirchoffovu intuíciu“ na oveľa zložitejší jav.
Vlny v obvode možno správne opísať iba pomocou Maxwellových rovníc. Kirchhoffove zákony sú iba aproximáciou Maxwellových rovníc, ktoré fungujú, keď majú vlny vlnovú dĺžku oveľa väčšiu ako fyzikálne rozmery obvodu, t. J. Iba keď je najvyššia frekvenčná zložka v signáli oveľa menšia ako c/d, kde c je rýchlosť svetla ad je rozmer obvodu.
To znamená, že KVL a KCL platia iba vtedy, ak obvod pracuje za takzvaných kvázistatických podmienok. Za týchto podmienok môžete aproximovať Maxwellove rovnice a odstrániť z nich niektoré výrazy a považovať problém takpovediac za elektrostatický problém. V elektrostatike môžete definovať elektrostatický potenciál, ktorý priamo súvisí so (statickým) elektrickým poľom. Toto dáva definíciu napätia. Elektrická energia je tiež ľahko definovateľná z hľadiska prúdovej hustoty.
Keď už tieto zjednodušujúce predpoklady neplatia, nemôžete ani správne definovať stres. V súvislosti s prenosovými vedeniami možno napätie zmysluplne definovať iba medzi dvoma bodmi v tej istej rovine kolmej na smer šírenia. To znamená, že nemôžete merať napätie medzi bodom na hornom drôte a iným bodom, povedzme dva palce od druhého drôtu (čo môžete ľahko urobiť, ak sa KVL zastaví).
Záver: Zrušte svoje „Kirchhoffove myslenie“, keď sa snažíte porozumieť prenosovým linkám a vyvinúť „maxwellovský spôsob myslenia“.
V každom prípade by vám toto vlákno mohlo poskytnúť viac informácií v tomto smere.
EDITOVAŤ (na odpoveď na komentár)
Zdravý rozum sa v tejto oblasti netýka (zamýšľaná hračka). Mohli by ste sa dostať z veľmi nedokonalej analógie (a odkazu, ktorý som na ňu zverejnil vyššie, alebo z ďalších odpovedí v tomto vlákne), ale to je všetko. Existuje dôvod, prečo ľudstvu trvalo tisícročia, kým pochopil a vysvetlil elektromagnetické javy (statická elektrina je experimentálne známa už od starovekého Grécka, nehovoriac o bleskoch a ich dôsledkoch). Keby bolo možné tieto javy ľahko uchopiť zdravým rozumom, nebolo by potrebné, aby im rozumeli mudrci a vedci.
Impedancia/odpor ako prvok, v ktorom prúdi prúd, je pojem úzko spojený s Kirchhoffovými zákonmi a analýzou obvodov sústredených prvkov.
V teórii EM má impedancia úplne iný význam: nesúvisí s napätím s prúdom, ale viac-menej (mávne rukou) E-pole s H-poľom.
Polia neprúdia ako prúdy ani neexistujú ako napätia v dvoch bodoch. Presné pochopenie toho, ako, prečo a kedy sa šíria polia, vyžaduje kopu pokročilej matematiky. Maxwellove rovnice sú, IMO, koncepčne najťažší predmet fyziky, ktorému sa musí elektrotechnik venovať počas vysokoškolského štúdia (barová kvantová mechanika a fyzika pevných látok).