Warum brechen grundlegende Schaltungsgesetze bei hochfrequentem Wechselstrom zusammen?

Wir beginnen gerade mit der gesamten HF-Szene, nachdem wir uns in all unseren vorherigen Kursen mit Gleichstrom und Niederfrequenz-Wechselstrom befasst haben.

Ich verstehe, dass bei Hochfrequenz-Wechselstrom keine grundlegenden Schaltungsgesetze mehr gelten und die klassischen passiven Komponentenmodelle geändert werden müssen. Die Rechtfertigung dafür war, dass bei Hochfrequenz-Wechselstromübertragung die Wellenlänge viel kleiner wird und manchmal kleiner als die Verdrahtung auf Leiterplatten usw. sein kann.

Ich verstehe, dass dies ein Problem bei der Übertragung durch den freien Raum mit elektromagnetischen Wellen ist, aber warum ist dies ein Problem bei tatsächlichen physischen Drähten und Leiterplatten, die von einer Wechselstromquelle angetrieben werden? Ich meine, es ist eine direkte Verbindung. Wir verwenden keine elektromagnetischen Wellen, um uns durch den freien Raum zu verbreiten. Wellenlänge und andere Dinge sollten also keine Rolle spielen, oder?

Eigentlich dreht sich alles um die Wellen. Auch im Umgang mit Gleichstrom wird alles von den elektrischen und magnetischen Feldern und Wellen gesteuert.

Die "Grundgesetze" brechen nicht zusammen. Die Regeln, die Sie gelernt haben, sind Vereinfachungen, die unter bestimmten Bedingungen genaue Antworten liefern - Sie haben die grundlegenden Gesetze noch nicht gelernt. Sie sind dabei, die grundlegenden Gesetze zu lernen, nachdem Sie Vereinfachungen angewendet haben.

Ein Teil der angenommenen Bedingungen für die vereinfachten Regeln ist, dass die Schaltung viel kleiner ist als die Wellenlänge des betroffenen Signals (der beteiligten Signale). Unter diesen Umständen können Sie davon ausgehen, dass sich ein Signal im gesamten Stromkreis im gleichen Zustand befindet. Dies führt zu vielen Vereinfachungen in den die Schaltung beschreibenden Gleichungen.

Wenn die Frequenzen höher werden (oder die Schaltkreise größer werden), so dass der Schaltkreis einen nennenswerten Bruchteil der Wellenlänge ausmacht, ist diese Annahme nicht mehr gültig.

Die Auswirkungen der Wellenlänge auf den Betrieb elektrischer Schaltkreise wurden zunächst bei niedrigen Frequenzen, jedoch bei sehr großen Schaltkreisen - Telegraphenleitungen - deutlich.

Wenn Sie anfangen, mit HF zu arbeiten, erreichen Sie Wellenlängen, sodass die Größe eines Schaltkreises auf Ihrem Schreibtisch einen nennenswerten Bruchteil der Wellenlänge der verwendeten Signale ausmacht.

Sie müssen also auf Dinge achten, die Sie vorher bequem ignorieren konnten.

Die Regeln und Gleichungen, die Sie jetzt lernen, gelten auch für einfachere Niederfrequenzschaltungen. Sie können die neuen Dinge verwenden, um die einfacheren Schaltkreise zu lösen - Sie müssen nur mehr Informationen haben und kompliziertere Gleichungen lösen.

Die Grundgesetze von EM sind Maxwells Gleichungen :

Sie waren schon immer die Grundgesetze der EM, aber bei niedrigeren Frequenzen empfinden wir das Lösen dieser mehrdimensionalen Differentialgleichungen als ziemlich schwierig und nicht allzu vorteilhaft, um unser Verständnis der Schaltung zu unterstützen. Sie möchten keine Symmetrie aufrufen müssen, um eine Ausbreitungsgleichung entlang eines Kabels richtig zu lösen, wenn die Nettodifferenz zwischen einem kurzen 18ga-Kabel und einem langen 0000-Kabel 0,0000001% in Bezug auf das Verhalten beträgt, an dem Sie interessiert sind.

Dementsprechend haben die Leute diese Gleichungen bereits für einfache Fälle, wie Drähte bei niedrigen Frequenzen, integriert und die Gleichungen gefunden, die Sie in früheren Klassen erhalten haben. Genauer gesagt, fanden wir zuerst diese Gleichungen und dann Maxwells Gleichungen, als wir uns näher mit EM befassten, und zeigten schließlich, dass die ursprünglichen Gleichungen mit denen von Maxwell übereinstimmten.

Persönlich finde ich es am besten, dies anhand eines Beispiels zu untersuchen. Ich möchte ein Beispiel aus dem berühmten Band nehmen: Die Kunst des digitalen Hochgeschwindigkeitsdesigns (Untertitel: A Handbook of Black Magic). In ihrer Einführung weisen sie darauf hin, wie wichtig die Auswahl des Kondensatortyps ist. Sie stellen die außergewöhnliche Behauptung auf, dass ein Kondensator bei hohen Geschwindigkeiten wie eine Induktivität aussehen kann, da seine Zuleitungen zwei parallele Drähte sind. Paralleldrähte haben eine Induktivität.

Wenn wir das Impedanzkonzept verwenden, können wir die Auswirkungen der parasitären Induktivität auf unseren Kondensator berechnen . Die Impedanz eines Kondensators , und die Impedanz eines Induktors ist . Wir werden die parasitäre Resistenz vorerst ignorieren, obwohl sie in vielen Fällen auch ein wichtiges Detail ist. Wenn Sie sie in Reihe schalten, sehen Sie die Impedanz der Schaltung . Wie Sie sehen, beginnt bei hohen Frequenzen dieser CL-Term zu dominieren, wodurch die gesamte Schaltung eher wie eine Induktivität aussieht. Bei niedrigeren Frequenzen, bei denen , können Sie dies ignorieren. Bei hohen Frequenzen können Sie nicht.$\frac{-1}{\omega C}$$\omega L$$\frac{-1}{\omega C} + \omega L = \frac{\omega^2 CL - 1}{\omega C}$$\omega^2CL \ll 1$

Ebenso wird es bei hohen Frequenzen schwieriger, die Tatsache zu ignorieren, dass Drähte EM-Strahlung aussenden. Bei niedrigen Frequenzen ist dieser Effekt trivial, aber bei hohen Frequenzen kann eine große Menge an Energie im Draht selbst abgeführt werden.

Weil die Annahmen, die für das Modell mit konzentrierten Elementen erforderlich sind, verletzt werden. Mit dem konzentrierten Elementmodell können Sie Geräte wie durch Knoten verbundene Widerstände analysieren, ohne die physische Anordnung der Geräte und der Schaltung zu berücksichtigen.

Das Modell mit konzentrierten Elementen setzt Folgendes voraus:

1. Die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses außerhalb eines Leiters ist Null.

2. Die zeitliche Änderung der Ladung innerhalb der leitenden Elemente ist Null.

3. Die charakteristische Länge (die "Größe" der Knoten und Geräte) ist viel kleiner als die Wellenlänge des interessierenden Signals.

Hier gibt es viele komplizierte (und richtige) Antworten. Ich möchte eine einfache Analogie hinzufügen:

• Bei einer Entfernung von 10 cm ist die Zeit der Geschossbewegung nur die Entfernung / Geschwindigkeit, und der Treffpunkt liegt auf der Linie, die mit der Axt des Laufs identisch ist
• In 10 m Entfernung sehen Sie, dass die Kugel das Ziel tiefer getroffen hat, da die Gravitation es etwas nach unten gezogen hat und Sie Ihr Ziel darauf einstellen müssen
• Bei 20 m müssen Sie mehr einstellen, da die Gravitation diese stärker beeinflusst
• auf 100 m siehst du, dass es trotz eingezählter gravitation nicht passt. Warum? Ja, es gibt und Luft und die Kugel wird auch verlangsamt. Wir sehen auch, dass die Kugel alles andere tut, als nur geradeaus zu fliegen, da die Rotation in Kombination mit der Vertikalgeschwindigkeit die Luft auf einer Seite komprimiert und die Kugeln dort tanzen. Wir können auch sehen, dass es wahrscheinlich nicht ganz homogen ist, was zu seiner Bewegung noch einen weiteren Faktor beiträgt
• auf 1000 m können wir sehen, dass es noch etwas anderes gibt - ja, die erde dreht sich und es zählt auch
• geh also höher, wo es nicht so schnell seinen Flug im Boden beenden würde, sprich auf Umlaufbahn und schieße dort - wieder gibt es mehr zu zählen - wir haben auch die Schwerkraft des Mondes vergessen
• und auf noch größerer Entfernung sehen wir, dass es nicht nur die Sonnengravitation gibt, sondern auch das von der Sonne ausgehende Licht, das sie auch ein wenig drückt und all die elektrisch aktiven Teilchen, die in ihr kleine Ströme und magische Felder erzeugen ...
• und in extrem langen (wie interstelaren) Spuren auch die Schwerkraft anderer Galaxien (nicht überraschend), aber unsere Bullen haben Zeit, ihre innere Struktur zu ändern, da selbst das Blei durch Zerfall der Radioaktivität extrem langsam in andere chemische Elemente zerfällt

Nun, es ist super kompliziert, also kehren wir beim Start auf die 10-cm-Distanz zurück - heißt das, dass die Formel Zeit = Distanz / Geschwindigkeit nicht funktioniert? Oder funktioniert unsere letzte super komplizierte Formel nicht?

Nun, beide Arbeiten, da all diese Elemente, die wir langsam zu unseren Berechnungen hinzugefügt haben, noch vorhanden sind, ist der Unterschied nur auf so kurzer Distanz so gering, dass wir ihn nicht einmal messen können. Und so können wir unsere "einfache" Formel verwenden - die nicht ganz genau ist, aber unter vernünftigen Bedingungen vernünftige genaue Ergebnisse liefert (sagen wir bis zu 5 Dezimalstellen), und wir sind in der Lage, sie schnell zu lernen, sie schnell anzuwenden und Ergebnisse zu erhalten, die sind auf der für uns interessanten Skala richtig (bis 5 Nachkommastellen).

Das Gleiche gilt für Gleichstrom, langsame Wechselstrom, Radiofrequenzen, Ultrahochfrequenzen ... jede Folge ist eine genauere Version der vorherigen, jede vorherige ist eine spezielle Version der folgenden in Situationen, in denen die kleinen Differenzen so gering sind, dass wir das können Verwerfe sie und erhalte das Ergebnis "gut genug".

Ich meine, es ist eine direkte Verbindung. Wir verwenden keine elektromagnetischen Wellen, um uns durch den freien Raum zu verbreiten. Wellenlänge und andere Dinge sollten also keine Rolle spielen, oder?

Das ist eine sehr falsche Annahme. Die Signale sind immer noch EM-Wellen und bleiben EM-Wellen, wenn sie sich durch den freien Raum oder einen Leiter ausbreiten. Die Gesetze bleiben gleich.

Bei Verbindungen (Drähten) in der Größenordnung der Wellenlänge kann der Ansatz "konzentriertes Element" nicht mehr verwendet werden. Der Ansatz des "konzentrierten Elements" bedeutet, dass Verbindungen als "ideal" betrachtet werden. Für Hochfrequenzsignale mit Abständen in der Größenordnung der Wellenlänge und größer ist dieser Ansatz ungültig.

Denken Sie also daran: Die EM-Gesetze ändern sich nicht, wenn sich eine EM-Welle durch den Weltraum oder einen Leiter bewegt. Sie gelten in beiden Fällen. EM-Wellen bleiben EM-Wellen im freien Raum oder in einem Leiter.

Sie brechen nicht zusammen, aber wenn sich die Anstiegszeit 10% nähert oder geringer als die Ausbreitungsverzögerung für eine Lastimpedanzanpassung ist, ist dies aufgrund dieser Wellenlänge wichtig . Die Lastimpedanz wird unabhängig davon, ob sie geleitet oder abgestrahlt wird, zu einer Quelle mit einer Wellenlänge von 1/4 invertiert.

Wenn die Last keine an die "Übertragungsleitung und Quelle" angepasste Impedanz aufweist, treten Reflexionen gemäß einem als Rückflussdämpfung bezeichneten Koeffizienten und dem Reflexionskoeffizienten auf.

Hier ist ein Experiment, das Sie durchführen können, um geleitete EM-Wellen zu demonstrieren.

Wenn Sie versuchen, eine 1-MHz-Rechteckwelle auf einer 10: 1-Oszilloskopsonde mit dem 10-cm-Erdungsclip abzutasten, sehen Sie möglicherweise eine konzentrierte 20-MHz-Koaxialresonanz. Ja, die Sonde ist nicht an den 50-Ohm-Generator angepasst, sodass Reflexionen gemäß der 10-nH / cm-Erdungsleitung und der speziellen 50-pF / m-Sonden-Koax auftreten. Es handelt sich immer noch um eine Klumpenelement-Antwort (LC-Antwort).

Wenn Sie die 10: 1-Sonde auf weniger als 1 cm bis auf die Spitze und den Ring ohne langen Erdungsclip reduzieren, wird die Resonanzfrequenz möglicherweise auf die Begrenzung der Sonde und des Bereichs bei 200 MHz angehoben.

Versuchen Sie nun ein 1: 1 1 m Koaxialkabel mit 20 ns / m, damit eine 20 ~ 50 MHz Rechteckwelle auf einem 1 m Koaxialkabel mit einer 1: 1-Sonde eine Reflexion bei einem Bruchteil einer Wellenlänge und eine fürchterliche Rechteckwellenantwort erkennt, es sei denn Am Umfang mit 50 Ohm abgeschlossen. Dies ist eine durchgeführte EM-Wellenreflexion.

Betrachten Sie jedoch ein schnelles Logiksignal mit einer Anstiegszeit von 1 ns als Quelle mit einer Impedanz von 25 Ohm und einer Bandbreite von> 300 MHz, so dass ein Überschwingen ein Messfehler oder eine tatsächliche Impedanzfehlanpassung mit Reflexionen der Spurlänge sein kann.

Berechnen Sie nun 5% der Wellenlänge von 300 MHz bei 3e8 m / s für Luft und 2e8 m / s für Koax und sehen Sie, welche Ausbreitungsverzögerungszeiten Echos von einer nicht angepassten Last verursachen, z. B. CMOS high Z und sagen wir 100-Ohm-Spuren . Aus diesem Grund werden geregelte Impedanzen in der Regel über 20 bis 50 MHz benötigt, was sich auf das Klingeln oder Überschwingen oder die Impedanzfehlanpassung auswirkt. Aber ohne, das ist der Grund, warum die Logik eine so große Grauzone zwischen "0 & 1" hat, um ein gewisses Klingeln zuzulassen.

Wenn Wörter unbekannt sind, schlagen Sie sie nach.

Obwohl dies einige Male beantwortet wurde, möchte ich die Argumentation hinzufügen, dass ich persönlich die meisten Augenöffnungen finde und aus Tom Lees Buch "Planar Microwave Engineering" (Kapitel 2.3) entnommen bin.

Wie in den anderen Antworten angegeben, vergessen die meisten Menschen, dass Kirchoffs Gesetze nur Annäherungen sind, die unter bestimmten Bedingungen gelten (das pauschale Regime), wenn quasi-statisches Verhalten angenommen wird. Wie kommt es zu diesen Annäherungen?

Beginnen wir mit Maxwells Fragen im freien Raum:

Gleichung 1 besagt, dass es keine Divergenz im Magnetfeld und somit keine magnetischen Monopole gibt (beachte meinen Benutzernamen! ;-))

Gleichung 2 ist das Gaußsche Gesetz und besagt, dass es elektrische Ladungen (Monopole) gibt. Dies sind die Ursachen für die Divergenz des elektrischen Feldes.

Gleichung 3 ist das Ampere-Gesetz mit Maxwells-Modifikation: Es besagt, dass gewöhnlicher Strom sowie ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld ein Magnetfeld erzeugen (und das letztere entspricht dem berühmten Verschiebungsstrom in einem Kondensator).

Gleichung 4 ist das Faradaysche Gesetz und besagt, dass ein sich änderndes Magnetfeld eine Änderung (eine Kräuselung) des elektrischen Feldes verursacht.

Gleichung 1-2 ist für diese Diskussion nicht wichtig, aber die Antwort von Gleichung 3-4 gibt an, woher das Wellenverhalten stammt (und da Maxwells Gleichungen am allgemeinsten sind, gelten sie für alle Schaltkreise einschließlich Gleichstrom): Eine Änderung von E verursacht eine Chance in H, die bewirkt eine Änderung in E und so weiter. Ist es die Kopplungsterme, die Wellenverhalten erzeugen !

Nehmen wir nun für einen Moment an, mu0 sei Null. Dann ist das elektrische Feld frei von Kräuselungen und kann als Gradient eines Potentials ausgedrückt werden, was auch impliziert, dass das Linienintegral um einen geschlossenen Pfad Null ist:

Voila, dies ist nur der feldtheoretische Ausdruck des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes .

Ebenso führt das Setzen von epsilon0 auf Null zu

Dies bedeutet, dass die Divergenz von J Null ist, was bedeutet, dass sich an keinem Knoten ein (Netto-) Strom aufbauen kann. Dies ist nichts weiter als Kirchhoffs geltendes Recht .

In Wirklichkeit sind epsilon0 und mu0 natürlich nicht Null. Sie erscheinen jedoch in der Definition der Lichtgeschwindigkeit:

Bei unendlicher Lichtgeschwindigkeit würden die Kopplungsterme verschwinden und es gäbe überhaupt kein Wellenverhalten. Wenn jedoch die physikalischen Abmessungen des Systems im Vergleich zu den Wellenlängen klein sind, ist die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit nicht erkennbar (ähnlich wie eine Zeitdilatation immer vorhanden ist, aber für niedrige Geschwindigkeiten nicht erkennbar ist, und daher sind Newton-Gleichungen eine Annäherung an Einsteins Relativitätstheorie).

Elektrische Signale brauchen Zeit, um sich durch Drähte (und Leiterplattenspuren) auszubreiten. Immer langsamer als EM-Wellen durch Vakuum oder Luft.

Beispielsweise hat ein verdrilltes Kabelpaar in einem CAT5e-Kabel einen Geschwindigkeitsfaktor von 64%, sodass das Signal bei 0,64 c wandert und in einer Nanosekunde etwa 8 Zoll beträgt. Eine Nanosekunde ist in manchen elektronischen Zusammenhängen eine lange Zeit. Es ist 4 Uhr Zyklen in einer modernen CPU zum Beispiel.

Jede Konfiguration von Leitern endlicher Größe hat Induktivität und Kapazität sowie (normalerweise) Widerstand, so dass sie mit konzentrierten Bauteilen mit einer feineren Körnigkeit angenähert werden kann. Sie können das Kabel durch Induktivitäten der Serie 20 und Widerstände mit 20 Kondensatoren zur Masseebene ersetzen. Wenn die Wellenlänge im Vergleich zur Länge sehr kurz ist, benötigen Sie möglicherweise 200 oder 2000 oder ... was auch immer für eine Annäherung an den Draht erforderlich ist, und andere Methoden sehen möglicherweise attraktiv aus, z. B. die Übertragungsleitungstheorie (in der Regel ein Semesterstudiengang für EEs). .

"Gesetze" wie KVL, KCL sind mathematische Modelle, die die Realität unter geeigneten Bedingungen sehr genau approximieren. Allgemeinere Gesetze wie Maxwells Gleichungen gelten allgemeiner. Es kann Situationen geben (relativistisch vielleicht), in denen Maxwells Gleichungen nicht mehr sehr genau sind.

Es ist eine Welle. Das Gleiche, was hier vor sich geht, ist das Gleiche, worüber gesprochen wird, wenn erwähnt wird, wie sich "Elektrizität mit Lichtgeschwindigkeit bewegt", obwohl sich diese Elektronen viel langsamer "bewegen". Tatsächlich ist es ungefähr 2/3 (IIRC) der Lichtgeschwindigkeit in den meisten leitenden Materialien - also ungefähr 200 000 km / s. Wenn Sie beispielsweise einen Schalter betätigen, senden Sie eine elektromagnetische Welle in den Stromkreis, wodurch die Elektronen zur Bewegung angeregt werden. In diesem Fall ist es eine "Stufenwelle" - dahinter ist das Feld konstant hoch, davor ist es Null, aber sobald es passiert ist, bewegen sich die Elektronen jetzt. Wellen bewegen sich in einem Medium langsamer als im freien Raum, aber sie durchdringen immer noch Medien - deswegen kann das Licht schließlich durch Glas hindurchtreten.

In diesem Fall "pumpt" die Spannungsquelle ständig hin und her und baut so oszillierende Wellen auf, die sich auf die gleiche Weise mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen. Bei niedrigen Frequenzen wie 60 Hz ist die Länge dieser Wellen weitaus länger als die eines einzelnen Geräts im menschlichen Maßstab, und zwar für diese bestimmte Frequenz etwa 3000 km (200 000 km / s * (1/60 s)). Im Gegensatz zu 0,1 m (100 mm) für eine typische handgehaltene Leiterplatte bedeutet dies einen Skalierungsfaktor von etwa 30 000 000: 1, und Sie können ihn daher als gleichmäßigen Strom behandeln, der sich regelmäßig ändert.

Auf der anderen Seite sind es 6 GHz - also Mikrowellen-HF-Anwendungen wie in der Telekommunikationstechnologie - und jetzt ist die Wellenlänge 100 Millionen Mal kürzer oder 30 mm. Das ist viel kleiner als der Maßstab der Schaltung, die Welle ist wichtig, und Sie brauchen jetzt komplexere elektrodynamische Gleichungen, um zu verstehen, was los ist, und der gute alte Kirchhoff schneidet den Senf einfach nicht mehr :)

Eine einfachere Antwort: Weil parasitäre Komponenten, die nicht in Ihrem Schaltplan dargestellt sind, eine Rolle spielen:

• der Serienwiderstand (ESR) und die Serieninduktivität von Kondensatoren,
• Erhöhung der Widerstandsfähigkeit von Drähten aufgrund von Hauteffekten,
• die parallele Dämpfung (Wirbelströme) und Parallelkapazität von Induktivitäten,
• die parasitäre Kapazität zwischen Spannungsknoten (z. B. zwischen Leiterbahnen einschließlich "Masse"),
• die parasitäre Induktivität von Stromschleifen,
• die gekoppelte Induktivität zwischen Stromschleifen,
• die Kopplung der Magnetfelder zwischen ungeschirmten Induktoren, die von der zufälligen Polarität der Bauteilplatzierung abhängen kann,
• ...

Dies ist auch das Thema von EMC, das sehr wichtig ist, wenn Sie Schaltkreise erstellen möchten, die tatsächlich vor Ort funktionieren.

Seien Sie auch nicht überrascht, wenn Sie nicht einmal messen können, was gerade passiert. Oberhalb eines MHz oder so wird es zur Kunst, einen Oszilloskop-Tastkopf richtig anzuschließen.

Sie haben viele ausgezeichnete Antworten auf Ihre Frage, daher werde ich nicht wiederholen, was bereits gesagt wurde.

Ich werde stattdessen versuchen, Ihre Kommentare an verschiedene Antworten zu richten. Aus den Kommentaren, die Sie veröffentlicht haben, geht hervor, dass Sie ein grundlegendes Missverständnis der physikalischen Gesetze für Schaltkreise haben.

Sie scheinen zu glauben, dass "sich bewegende Elektronen in einem Draht" etwas sind, das nichts mit EM-Wellen zu tun hat. Und dass EM-Wellen nur in bestimmten Situationen oder Szenarien ins Spiel kommen. Das ist grundsätzlich falsch.

Wie andere gesagt haben, sind Maxwells Gleichungen (MEs von nun an) der Schlüssel, um das Problem wirklich zu verstehen. Diese Gleichungen sind in der Lage, jedes der Menschheit bekannte EM-Phänomen mit Ausnahme von Quantenphänomenen zu erklären. Sie haben also ein sehr breites Anwendungsspektrum. Aber das ist nicht der Hauptpunkt, den ich ansprechen möchte.

Was Sie verstehen sollten, ist, dass elektrische Ladungen (zum Beispiel Elektronen) allein durch ihre Existenz ein elektrisches Feld um sie herum erzeugen . Und wenn sie sich bewegen (dh wenn sie Teil eines elektrischen Stroms sind), erzeugen sie auch ein Magnetfeld .

Unter wandernden EM-Wellen (was gewöhnliche Menschen normalerweise als EM- "Wellen" verstehen) versteht man nur die Ausbreitung der Variationen elektrischer und magnetischer Felder über den Raum ("Vakuum") oder ein anderes physikalisches Medium.

Grundsätzlich ist es das, was MEs sagen.

MEs sagen Ihnen außerdem, dass jedes Mal, wenn sich ein Feld ändert (sei es elektrisch oder magnetisch), dann "automatisch" das andere Feld entsteht (und es ändert sich auch). Deshalb EM - Wellen genannt Electro-Magnetic : a (zeit-) elektrisches Feld variiert impliziert die Existenz eines (Zeit-) veränderliches Magnetfeld und umgekehrt. Es kann kein variierendes E-Feld ohne ein variierendes M-Feld geben, und symmetrisch kann es kein variierendes M-Feld ohne ein begleitendes variierendes E-Feld geben.

Dies bedeutet, dass, wenn Sie einen Strom in einem Stromkreis haben und dieser Strom kein Gleichstrom ist (andernfalls wird nur ein statisches Magnetfeld erzeugt), Sie eine EM-Welle in dem gesamten Raum haben, der den Pfad des Stroms umgibt . Wenn ich "im ganzen Raum" sage, meine ich "den ganzen physischen Raum", unabhängig davon, welche Körper diesen Raum einnehmen.

Natürlich verändert das Vorhandensein von Körpern die "Form" (dh die Eigenschaften) des von einem Strom erzeugten EM-Feldes: Tatsächlich sind Komponenten "Körper", die dazu bestimmt sind, dieses Feld auf kontrollierte Weise zu verändern.

Die Verwirrung in Ihrer Argumentation kann von der Tatsache herrühren, dass konzentrierte Komponenten nur unter der Annahme gut funktionieren, dass sich die Felder langsam ändern . Dies wird technisch als quasistatische Feldannahme bezeichnet : Es wird angenommen, dass sich die Felder so langsam ändern, dass sie denen in einer echten Gleichstromsituation sehr ähnlich sind.

Diese Annahme führt zu drastischen Vereinfachungen: Wir können die Kirchhoffschen Gesetze verwenden, um eine Schaltung ohne nennenswerte Fehler zu analysieren. Dies bedeutet nicht, dass um und innerhalb von Bauteilen und Leiterplatten keine EM-Wellen auftreten. In der Tat gibt es! Die gute Nachricht ist, dass ihr Verhalten zum Entwerfen und Analysieren einer Schaltung in nützlicher Weise auf Ströme und Spannungen reduziert werden kann.

Sie stellen wirklich zwei Fragen: 1) "Warum brechen die grundlegenden Schaltungsgesetze zusammen" bei hohen Wechselstromfrequenzen. 2) Warum sollten sie auch ausfallen, wenn "tatsächliche physische Drähte ..." verwendet werden?

Die erste Frage wurde in den vorherigen Antworten behandelt, aber die zweite Frage lässt mich glauben, dass Ihr Verstand nicht von "sich bewegenden Elektronen" auf sich bewegende EM-Wellen übergegangen ist, worauf ich eingehen werde.

Unabhängig davon, wie EM-Wellen erzeugt werden, sind sie gleich (mit Ausnahme von Amplitude und Frequenz). Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit und in einer "geraden" Linie aus .
In dem speziellen Fall, wenn sie durch Ladungen erzeugt werden , die in einem Draht fließen , folgt die Welle der Richtung des Drahtes !
Zu allen Zeiten , wenn sie mit bewegten Ladungen zu tun, es zu tun haben Sie mit EM - Wellen . Wenn jedoch das Verhältnis von Wellenlänge zu Größe der Schaltung groß genug ist, sind Effekte zweiter und höherer Ordnung klein genug, dass sie aus praktischen Gründen ignoriert werden können.

Ich hoffe, es ist jetzt klar, dass die Drähte nur dazu dienen, die EM-Wellen zu lenken , anstatt ihre Natur zu ändern.

Sie müssen die Art und Weise ändern, wie Sie über Elektrizität denken. Stellen Sie sich das Konzept als ein im leeren Raum oszillierendes Elektron vor. In Gleichstrom drücken und verschieben die Schwingungen Elektronen im gleichen allgemeinen Richtungsvektor. Bei hohen Frequenzen finden die Verschiebungen in viele Richtungen mit höheren Raten und zufälliger statt. Jedes Mal, wenn Sie Elektronen verschieben, geschieht etwas. Die Verwendung der hier und in Lehrbüchern aufgeführten Gleichungen hilft dabei, das Geschehen zu modellieren. Wenn Sie konstruieren, versuchen Sie, ein Modell zu erstellen und Muster dessen zu identifizieren, was passiert, und verwenden Sie diese, um Probleme zu lösen.