Wie kommt es, dass zwei elektrische Ströme gleichzeitig auf demselben Draht in entgegengesetzte Richtungen fließen können, ohne sich gegenseitig zu stören?

Eine Einführung in die Informationstheorie: Symbole, Signale und Rauschen von John R. Pierce sagt Folgendes:

Während Linearität eine wirklich erstaunliche Eigenschaft der Natur ist, ist sie keineswegs selten. Alle in Kapitel I im Zusammenhang mit der Netzwerktheorie besprochenen Schaltungen aus Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten sind linear, ebenso wie Telegraphenleitungen und -kabel. In der Tat sind elektrische Schaltungen normalerweise linear, außer wenn sie Vakuumröhren oder Transistoren oder Dioden enthalten, und manchmal sind sogar solche Schaltungen im wesentlichen linear.

Da Telegrafendrähte linear sind, das heißt, weil Telegrafendrähte so beschaffen sind, dass sich elektrische Signale auf ihnen unabhängig voneinander verhalten, ohne miteinander zu interagieren, können zwei Telegrafensignale gleichzeitig auf demselben Draht in entgegengesetzte Richtungen wandern, ohne sich gegenseitig zu stören . Während Linearität in elektrischen Schaltkreisen ein weit verbreitetes Phänomen ist, handelt es sich keineswegs um ein universelles natürliches Phänomen. Zwei Züge können nicht ungestört in entgegengesetzte Richtungen auf demselben Gleis fahren. Vermutlich könnten sie es jedoch, wenn alle in Zügen enthaltenen physikalischen Phänomene linear wären. Der Leser könnte über das unglückliche Los einer wirklich linearen Rasse von Wesen spekulieren.

Nachdenken über diesen von einer physischen Sicht I wurde gefragt , wie es ist , dass Telegraphen linear ist, in dem Sinne , daß zwei Telegraphensignale (in anderen Worten, zwei elektrische Ströme) in entgegengesetzten Richtungen auf der Fahr können denselben Draht, zur gleichen Zeit , ohne sich gegenseitig zu stören?

Ich dachte naiv an das Kabel als einspurige, zweispurige Straße. In dieser Analogie könnten die Autos in beide Richtungen fahren, aber nicht gleichzeitig. Wie ich es verstehe, erzeugt die Bewegung von Elektronen in Festkörpern einen elektrischen Strom, also wären die Elektronen die Autos. Was geschieht hier mit den Elektronen, die diesen gleichzeitigen, wechselseitigen Stromfluss ermöglichen, wenn man die Linearitätserklärung des Autors voraussetzt?

Auf der Wikipedia-Seite für lineare Schaltungen habe ich nichts gefunden, was diese physikalische Eigenschaft der Linearität verdeutlicht.

Ich würde es sehr begrüßen, wenn sich die Leute die Zeit nehmen könnten, dies zu klären.

PS Ich habe keinen elektrotechnischen Hintergrund, daher ist eine grundsätzliche Erklärung erwünscht.

BEARBEITEN: Basierend auf Kommentaren aus dem vorherigen Thread verstehe ich, dass meine Analogie genauer wäre, wenn ich die Elektronen als doppelseitige Autoscooter darstelle, und stelle mir dann die zweispurige Fahrspur vor, auf der sie mit diesen Autos gefüllt sind Bewegungen in beide Richtungen (elektrischer Strom in beide Richtungen) werden durch eine sequentielle "Stoß / Stoß" - Bewegung wie eine Welle dargestellt, die von jedem Auto "Stoßen / Stoß" gegen das Auto "vor" (in der Mitte) fortgesetzt wird Stromrichtung).

EDIT 2: Ich sehe viele Antworten, die mir sagen, dass der Kern meines Missverständnisses darin liegt, dass ich davon ausgehe, dass elektrischer Strom und Signal dasselbe sind. Und diese Antworten sind richtig, ich war unter der Annahme , dass elektrischer Strom und Signal ist die gleiche Sache, weil der Autor impliziert hält , dass sie die gleiche Sache im Text (oder ihn nicht zwischen den beide deutlich zu unterscheiden)! Siehe die folgenden Auszüge aus demselben Kapitel:

Während Morse mit Alfred Vail arbeitete, wurde die alte Codierung aufgegeben und das, was wir heute als Morsecode kennen, wurde 1838 erfunden. In diesem Code werden Buchstaben des Alphabets durch Leerzeichen, Punkte und Bindestriche dargestellt. Der Raum ist das Fehlen eines elektrischen Stroms, der Punkt ist ein elektrischer Strom von kurzer Dauer und der Strich ist ein elektrischer Strom von längerer Dauer.

$$\vdots$$

Die Schwierigkeit, auf die Morse mit seinem Erdkabel stieß, blieb ein wichtiges Problem. Verschiedene Stromkreise, die einen gleichmäßigen elektrischen Strom leiten, sind nicht unbedingt gleichermaßen für die elektrische Kommunikation geeignet. Sendet man Punkte und Bindestriche zu schnell über einen Untergrund- oder Unterwasserkreis, laufen sie am Empfangsende zusammen. Wie in Abbildung II-1 gezeigt, erhalten wir am anderen Ende des Stromkreises einen längeren, geglätteten Anstieg und Abfall des Stroms, wenn wir einen kurzen Stromstoß senden, der sich abrupt ein- und ausschaltet. Dieser längere Stromfluss kann den Strom eines anderen Symbols überlappen, das beispielsweise als Abwesenheit von Strom gesendet wird. Wie in Abbildung II-2 gezeigt, kann ein klares und unterschiedliches Signal daher als vage wandernder Anstieg und Abfall des Stroms empfangen werden, was schwer zu interpretieren ist.

Wenn wir unsere Punkte, Leerzeichen und Striche lang genug machen, folgt der Strom am fernen Ende natürlich besser dem Strom am Sendeende, aber dies verlangsamt die Übertragungsrate. Es ist klar, dass mit einer gegebenen Übertragungsschaltung eine begrenzte Übertragungsgeschwindigkeit für Punkte und Zwischenräume verbunden ist. Bei Seekabeln ist diese Geschwindigkeit so gering, dass Telegraphenprobleme auftreten. für Drähte an Masten ist es so schnell, dass es Telegrafen nicht stört. Frühe Telegraphenschreiber waren sich dieser Einschränkung bewusst, und auch sie liegt im Zentrum der Kommunikationstheorie.

Selbst angesichts dieser Geschwindigkeitsbegrenzung können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um die Anzahl der Briefe zu erhöhen, die in einem bestimmten Zeitraum über einen bestimmten Schaltkreis gesendet werden können. Ein Strich dauert dreimal so lange wie ein Punkt. Es wurde bald erkannt, dass man mittels Doppelstrom-Telegraphie gewinnen konnte. Wir können uns das vorstellen, indem wir uns vorstellen, dass am Empfangsende ein Galvanometer zwischen dem Telegraphenkabel und der Erde angeschlossen ist, ein Gerät, das die Fließrichtung kleiner Ströme erkennt und anzeigt. Um einen Punkt anzuzeigen, verbindet der Sender den Pluspol seiner Batterie mit dem Kabel und den Minuspol mit Masse, und die Nadel des Galvanometers bewegt sich nach rechts. Um einen Bindestrich zu senden, verbindet der Absender den Minuspol seiner Batterie mit dem Kabel und den Pluspol mit der Masse. und die Nadel des Galvanometers bewegt sich nach links. Wir sagen, dass ein elektrischer Strom in einer Richtung (in den Draht) einen Punkt und ein elektrischer Strom in der anderen Richtung (aus dem Draht) einen Strich darstellt. Kein Strom (Batterie nicht angeschlossen) steht für ein Leerzeichen. In der eigentlichen Doppelstromtelegraphie wird eine andere Art von Empfangsinstrument verwendet.

In der Einzelstromtelegraphie haben wir zwei Elemente, aus denen wir unseren Code konstruieren können: Strom und kein Strom, die wir als 1 und 0 bezeichnen können. In der Doppelstromtelegraphie haben wir wirklich drei Elemente, die wir als Vorwärtsstrom bezeichnen können, oder Strom in den Draht; kein Strom; Rückwärtsstrom oder Strom aus dem Draht; oder als +1, 0, -1. Hier zeigt das Vorzeichen + oder - die Richtung des Stromflusses an und die Zahl 1 gibt die Größe oder Stärke des Stroms an, die in diesem Fall für den Stromfluss in beiden Richtungen gleich ist.

Im Jahr 1874 ging Thomas Edison weiter; In seinem Quadruplex-Telegraphensystem verwendete er zwei Stromstärken sowie zwei Stromrichtungen. Er verwendete Änderungen der Intensität, unabhängig von Änderungen der Richtung des Stromflusses, um eine Nachricht zu senden, und Änderungen der Richtung des Stromflusses, unabhängig von Änderungen der Intensität, um eine andere Nachricht zu senden. Wenn wir davon ausgehen, dass die Ströme gleich stark voneinander abweichen, können wir die vier verschiedenen Bedingungen des Stromflusses darstellen, mit denen die beiden Nachrichten gleichzeitig als +3, +1, -1, -3 über den einen Stromkreis übertragen werden. Die Interpretation dieser am Empfangsende ist in Tabelle I gezeigt.

Abbildung II-3 zeigt, wie die Punkte, Bindestriche und Leerzeichen zweier gleichzeitiger, unabhängiger Nachrichten durch eine Aufeinanderfolge der vier verschiedenen aktuellen Werte dargestellt werden können.

Es ist klar, wie viele Informationen über eine Schaltung gesendet werden können, hängt nicht nur davon ab, wie schnell man aufeinanderfolgende Symbole (aufeinanderfolgende Stromwerte) über die Schaltung senden kann, sondern auch davon, unter wie vielen verschiedenen Symbolen (verschiedenen Stromwerten) man auswählen kann . Wenn wir als Symbole nur die zwei Ströme +1 oder 0 oder, was genauso effektiv ist, die zwei Ströme +1 und -1 haben, können wir dem Empfänger nur eine von zwei Möglichkeiten gleichzeitig übermitteln. Wir haben jedoch oben gesehen, dass wir, wenn wir einen von vier aktuellen Werten (eines von vier Symbolen) gleichzeitig auswählen können, wie z. B. +3 oder + 1 oder - 1 oder - 3, dies mithilfe von übermitteln können Diese aktuellen Werte (Symbole) sind zwei unabhängige Informationen: ob wir in Nachricht 1 eine 0 oder 1 bedeuten und ob wir in Nachricht 2 eine 0 oder 1 bedeuten. Die Verwendung von vier aktuellen Werten ermöglicht es uns, zwei unabhängige Nachrichten zu senden, von denen jede so schnell ist, wie zwei aktuelle Werte es uns ermöglichen, eine Nachricht zu senden. Wir können mit vier aktuellen Werten doppelt so viele Briefe pro Minute versenden wie mit zwei aktuellen Werten.

Und dieses Lehrbuch setzt keine vorausgesetzten Kenntnisse in Physik oder Elektrotechnik voraus, so dass es unwahrscheinlich ist, dass Leser zwischen Signal und elektrischem Strom unterscheiden können - insbesondere angesichts der Tatsache, dass der Autor andauernd zu implizieren scheint, dass sie gleich sind ( oder es in keiner eindeutigen Weise schafft, die beiden für Personen ohne einen solchen Hintergrund zu trennen).

Die physikalische Erklärung ist, dass Wellenleiter (einschließlich des freien Raums) orthogonale Moden für die beiden Ausbreitungsrichtungen haben. Dies bedeutet, dass die zwei Signale, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, nicht stören. (Dies ist keine Annäherung, es wird keine Störung geben).

Das Gerät, das das "gesendete" und das "empfangene" Signal trennt, ist ein Zirkulator . Es existiert auch im optischen Bereich und kann verwendet werden, um eine Duplex-Kommunikation über eine einzelne optische Faser zu implementieren. Im HF-Bereich kann damit die Trennung von Sende- und Empfangssignalen über eine einzige Antenne realisiert werden (natürlich zur selben Zeit und mit derselben Frequenz). In der Praxis werden häufig unterschiedliche Frequenzen zum Senden und Empfangen verwendet, hauptsächlich aus technischen Gründen. Der Zirkulator ist nicht perfekt isoliert und die Trennung funktioniert bei sehr schwachen Empfangssignalen nicht so gut. Aber wenn man ein perfektes Zirkulationsgerät hätte, würde die Anordnung funktionieren.

In der alten analogen Telefonanlage gab es nur ein einziges Adernpaar, und es war möglich, gleichzeitig zu sprechen und zu hören.

TL / DR: Eine sehr elementare Erklärung ist, dass man Spannung und Strom in einem Draht hat und dass man damit getrennte Informationen in zwei Richtungen transportieren kann. Folgendes berücksichtigen:

Auf einer Seite des Kabels befindet sich eine steuerbare Spannungsquelle, und die zu übertragende Information ist die momentane Spannung. Auf der anderen Seite des Kabels befindet sich eine steuerbare Stromquelle (oder besser "Senke"). Die hier zu übertragende Information ist der momentane Strom. Es ist klar, dass Station 1 (die mit der Spannungsquelle) das Signal von Quelle 2 lesen kann, indem nur der Strom durch das Kabel gemessen wird. Station 2 kann das Signal auch von Station 1 empfangen, indem die Spannung an den Anschlüssen seiner Stromquelle gemessen wird. Dies beweist also, dass Sie Informationen in zwei Richtungen gleichzeitig über ein einziges Adernpaar übertragen können. Und wenn Sie bezweifeln, dass es möglicherweise nicht möglich ist, eine Stromquelle / -senke an eine Spannungsquelle anzuschließen. Das ist durchaus möglich,

EDIT: Es gibt auch eine elementare Erklärung für Wellen: Eine Freiraumwelle hat ein oszillierendes elektrisches und magnetisches (E und H) Feld. Sie sind mit 90 ° Raumwinkel orientiert und haben eine zeitliche Phasenverschiebung von 90 °. Sie beträgt + 90 ° für die Vorwärts- und -90 ° für die Rückwärtsausbreitungsrichtung (je nach Wahl des Koordinatensystems oder des Vorzeichens der Phase kann es auch umgekehrt sein). Auch das Verhältnis der Amplitude des magnetischen und elektrischen Feldes ist auf die Wellenimpedanz des Mediums festgelegt (die für Vakuum 377 Ohm beträgt). Wenn wir jetzt eine sich vorwärts und rückwärts ausbreitende Welle haben, haben wir die Überlagerung der elektrischen und magnetischen Felder überall in Raum und Zeit. Eine ideale Trennung beider Wellen ist jedoch möglich. Einfach ausgedrückt: Die elektrischen Felder addieren sich, während sich die magnetischen Felder subtrahieren (aufgrund der Gesamtphasenverschiebung von 180 °). Da die Amplituden von E- und H-Feld jeder Komponente ein festes Verhältnis haben, können wir E-Feld durch H ersetzen (oder umgekehrt) und die beiden E-Feldamplituden der sich vorwärts und rückwärts ausbreitenden Wellen auflösen. Dies zeigt, dass eine ideale Trennung der beiden Ausbreitungsrichtungen möglich ist.

Und die sehr abstrakte physikalische Erklärung dahinter ist - wie ich bereits schrieb -, dass die Modi, die den beiden Ausbreitungsrichtungen entsprechen, immer orthogonal sind und die Signale nicht stören.

in dem Sinne, dass zwei Telegraphensignale (mit anderen Worten zwei elektrische Ströme) gleichzeitig auf demselben Draht in entgegengesetzte Richtungen wandern können, ohne sich gegenseitig zu stören

$0~V$$0~A$

Wenn sich zwei Stromwellen in die entgegengesetzte Richtung ausbreiten, können die Wellen problemlos durcheinander laufen, genauso wie sich zwei Schallwellen im selben Medium in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten können.

(Hier wandert das Blau nach links, das Grün nach rechts und die rote Welle ist die resultierende Überlagerung. Die rote Welle ist die Strom- / Spannungsverteilung, die über die Zeit im Draht gemessen wird.)

$x^2$$x^3$$U(x, t)$$I(x,t)$

$L, C, G$$R$$x$$t$

$U$$I$$U_1(x,t)$$U_2(x,t)$

Randnotiz zu DC:

Wenn zwei Ströme in entgegengesetzte Richtungen fließen, werden ihre Beiträge aufgehoben und es entsteht kein Strom. Alternativ können Sie sich nach dem Ohmschen Gesetz davon überzeugen, dass ein Gleichstrom (DC) nicht in beide Richtungen gleichzeitig fließen kann :

$R$$U = \varphi_2 - \varphi_1$$I = \frac{U}{R}$

Wenn wir beide Potentiale gleich machen, gibt es keinen Unterschied und der Strom ist Null.

Die einzige Möglichkeit, einen Strom an beiden Enden zu erzeugen, besteht darin, eine Quelle in der Mitte zu haben, was nicht wirklich interessant ist.

Es gibt Ihr Problem: Telegraphensignale sind keine elektrischen Ströme. (Wir könnten genauso gut sagen, dass Telegraphensignale Spannung sind.) Was ist richtig? Weder.

Um dies zu lösen, geben Sie die Elektronik auf und greifen stattdessen auf die dahinter stehende Physik zurück. Tatsächlich sind die Telegraphensignale (und sogar alle elektrischen Signale überall) tatsächlich elektrische Energie; dasselbe wie Licht und Radiowellen. Signale sind Änderungen , und ein sich ändernder Strom beinhaltet eine Spannung, genauso wie sich ändernde Spannungen, die einen Strom beinhalten. Signale sind die Watt, nicht nur Ampere und nicht nur Volt.

Signalenergie verhält sich anders als Ströme in Stromkreisen. Während die Energie über einen Stromkreis fließt, erfolgt dies bei den Verstärkern oder dem Ladungsfluss nicht. Die Ladungen drehen sich einfach durch die gesamte Schleife oder wackeln leicht hin und her, aber der Strom fließt nicht mit Lichtgeschwindigkeit vorwärts. Trotzdem fliegt etwas mit Lichtgeschwindigkeit dahin. Wir messen es und diskutieren es in Watt oder "Leistung". Die Verstärker fliegen nicht schnell, die Verstärker sind anders, die Verstärker sind die langsamen Bewegungen des "Mediums"; Diese Ladung Meer in jedem Draht gefunden. Wellen versus Medium. Etwas wie Schallwellen gegen Wind. Elektrischer Strom ist wie Wind, während Signale wie Schallwellen sind. (Und natürlich sind Schallwellen hin und her Wind! Die Luft wackelt, während sich die Wellen vorwärts ausbreiten.)

Wie können zwei unabhängige Signale über einen Stromkreis geleitet werden? Fragen Sie sich zunächst, wie zwei unabhängige Schallwellen dieselbe Luftregion durchdringen können. Werfen Sie auf einem Teich zwei Kieselsteine ​​und fragen Sie sich, wie zwei Bullseye-Wellenmuster sich gegenseitig durchdringen, ohne zu interagieren. Warum blockiert ein Laserstrahl keinen anderen, wenn sie sich kreuzen? Es ist nur etwas, was alle Wellen können, wenn das Medium linear ist. In einem linearen System können Wellen addieren und dann wieder subtrahieren, sodass sie sich kreuzen, ohne miteinander zu interagieren. Es funktioniert für Licht in einer optischen Faser. Es funktioniert für Klang in einer Orgelpfeife. Es funktioniert für Koaxialkabel mit gegenläufigen Impulsen und für Telegraphensignale, die sich mit Lichtgeschwindigkeit über ein einzelnes Paar, einen einzelnen Stromkreis, ausbreiten.

Die Antwort auf Ihre Frage bezieht sich auf das Wellen-Kapitel Ihres Physik-Buches. Die Antwort auf Ihre Schaltkreisfrage eröffnet ein faszinierendes Feld der Elektronik: Kabelreflexionen und stehende Wellen auf Drähten.

Andererseits können zwei Gleichströme nicht denselben Stromkreis belegen, da sie ihre Identität verlieren und sich zu einem Summenstrom verbinden. (Vergessen Sie nicht, dass jeder Stromkreis eine Induktivität mit einer Windung ist. In ähnlicher Weise können zwei verschiedene Spannungen nicht denselben Kondensator belegen. In beiden Fällen kombinieren sie sich und können nicht wieder abgezogen werden.) Zwei Gleichströme können einen einzelnen Draht belegen. wenn dieser Draht ein gemeinsamer Abschnitt von zwei ansonsten getrennten Stromkreisen ist. Sie addieren sich jedoch zu einem dritten Strom innerhalb dieses gemeinsamen Abschnitts. (Zum Beispiel können sie in diesem Abschnitt den Strom von Null subtrahieren, wenn sie gleich und entgegengesetzt sind. Ein Elektron kann nicht gleichzeitig in zwei Richtungen fließen.)

Gleichzeitig können sich zwei völlig unabhängige Energiewellen (Signale) über einen einzigen Stromkreis ausbreiten. WIE? Es geht um E und M, und das enthält das Geheimnis: Um es zu verstehen, müssen wir beide Drähte des langen Paares betrachten und sowohl Spannung als auch Strom einbeziehen. Ihre Frage kann nicht beantwortet werden, solange wir uns nur auf einzelne Drähte und Ströme konzentrieren und die beiden Drähte und die Spannung über ihnen ignorieren.

In einem einzelnen Stromkreis ist Strom ein geschlossener Kreis wie ein Schwungrad. Es beginnt nicht an einer Stelle und fließt zu einer anderen (stattdessen geht es im Uhrzeigersinn, im Uhrzeigersinn oder vielleicht im Gegenuhrzeigersinn, ähnlich wie ein Antriebsriemen). Ein Strom in einem Stromkreis ist wie ein durchgedrehtes Schwungrad, eine geschlossene Schleife. Aber etwas sicheres geht in eine Richtung, oder? Immer wenn eine Batterie eine Glühbirne aufleuchtet, muss etwas von der Batterie zur Glühbirne gelangen und darf nicht wieder zur Batterie zurückkehren. Das etwas nicht aktuell ist. Stattdessen handelt es sich um EM-Energie, bei der der Energiefluss in Watt gemessen wird. von Volt mal Ampere. In einer Taschenlampenschaltung ist die Leistung ein schneller Einwegfluss von der Batterie zur Glühlampe. Aber die Strömung ist sehr langsamKreislauf. Auch hier besteht das "Signal", das von der Batterie zur Glühbirne geht, aus EM-Energie, nicht aus Ampere und nicht aus Elektronen.

Hier ist der Beginn Ihrer Antwort: Wie können wir in einem einzelnen Stromkreis wissen, in welche Richtung die elektrische Energie fließt? Ganz einfach: Sehen Sie sich den Wert der Leistung an. Insbesondere: Multiplizieren Sie die Volt zwischen den Drähten mit den Amperewerten. Wenn das Ergebnis positiv ist, fließt Energie in die eine Richtung und wenn es negativ ist, fließt sie in die andere Richtung. Schließen Sie mit einer Taschenlampe Voltmeter und Amperemeter so an, dass sie eine positive Leistung liefern, wenn wir sie miteinander multiplizieren. Wenn Sie dann die Glühbirne herausnehmen und stattdessen ein Ladegerät einbauen, kehrt sich der Strom um, sodass Energie rückwärts in die Batterie fließt. (Diese Idee ist bei Wechselstrom von entscheidender Bedeutung. Wenn V- und I-Wellen synchron sind, fließt die Energie kontinuierlich vorwärts, aber wenn V und I bei 180 Grad liegen, fließt die Energie stattdessen rückwärts.)

Bei einem langen Kabel mit einem elektrischen Impuls mit positiver Wattzahl zoomt der Impuls also nach links, während der Impuls bei negativer Wattzahl nach rechts läuft. Wenn wir die Taschenlampenbatterie plötzlich an- und abklemmen, lösen wir eine Energiewelle entlang der beiden Drähte aus. Es bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit und wird von der Taschenlampe absorbiert, die aufleuchtet. Wenn wir die Batterie ununterbrochen angeschlossen lassen, fließt immer noch eine Energiewelle zur Glühbirne, auch wenn es überhaupt keine Wellen gibt. Das ist das erste Konzept in der grundlegenden Wellentechnik: die Ausbreitung elektrischer Energie über Schaltkreise ... und die Idee, dass "DC" wirklich nur "AC" mit sehr niedriger Frequenz ist.

Nochmal zurück zum Anfang: Wie können zwei Signalpulse auf demselben Adernpaar in entgegengesetzte Richtungen fliegen? (Beachten Sie, dass es sich um ein Adernpaar mit Volt handeln muss. Kein einziges Adernpaar .) Es kann auftreten, wenn einer der Impulse eine positive Leistung aufweist und nach links geht, während der andere Impuls eine negative Leistung aufweist und nach rechts geht. Ein Impuls kann aus positiven Volt und positiven Ampere bestehen, während der andere Impuls aus negativen Volt und positiven Ampere besteht. Beide Impulse sind EM-Wellen.

PS

Aha, ich sehe einen anderen Ansatz! (Ignorieren Sie es, wenn Sie möchten, denn das ist lang.) Nehmen wir an, wir haben zwei getrennte Stromkreise, zwei Taschenlampen, aber dann verschmelzen wir jeweils einen kurzen Drahtabschnitt miteinander? Die beiden Stromkreise haben ein Stück Draht gemeinsam. Interagieren sie? Nein, denn innerhalb des gemeinsamen Kabels addieren und subtrahieren sich die Ströme einfach wieder. Jede Batterie leuchtet unabhängig voneinander ihre eigene Glühlampe auf, da jede Stromkreisschleife eine eigene Batteriespannung und einen eigenen Schleifenstrom hat. Doch in diesem gemeinsamen Draht scheinen zwei verschiedene elektrische Ströme zu fließen! Sie sind es nicht, nicht wirklich, weil ein "Stromkreis" der Strom in einer gesamten Schleife ist, einschließlich einer Batterie, einer Glühlampe und eines gesamten geschlossenen Ringes von Leitern. In diesem kombinierten Draht addieren sich die beiden Ströme an einem Ende des Drahtes. dann am anderen wieder abgezogen. Die zwei Energiewellen in jedem Stromkreis bleiben unabhängig, obwohl sich die Ströme in ihrem gemeinsamen Draht addieren und subtrahieren können.

Dies zeigt uns, dass die Antwort auf Ihre ursprüngliche Frage nicht aus einem einzigen Draht besteht. Es kann nur beantwortet werden, indem man sich zurückzieht und eine breitere Sichtweise einnimmt. indem auch die Spannung über zwei Drähte eingeschlossen wird.

Dies zeigt auch, wie "linear" im Vergleich zu "nichtlinear" funktioniert. In der gemeinsamen Leitung haben sich an einem Ende die beiden Ströme durch Addition zusammengefasst. Dann aber ziehen sie sich am anderen Ende perfekt wieder auseinander. Dadurch bleiben die beiden Schleifen unabhängig. Was aber, wenn dies nicht geschah und stattdessen die Ströme im Einzeldraht keine einfache Summenkombination waren? Aha, das wäre "NONLINEAR". In diesem Fall konnten wir sie nicht sauber trennen, wenn sie einmal kombiniert waren. Das "Addieren" an einem Ende des Drahtes wäre nicht perfekt gleich dem "Subtrahieren" am anderen Ende, und in diesem Fall würden die beiden getrennten Schaltkreise zu interagieren beginnen. Eine Batterie würde anfangen, die andere Glühbirne leicht zu beleuchten. Die Signale der beiden Schaltkreise würden sich wirklich vermischen.

PPPPS

Diese Art von Frage hat eine lange Geschichte und ein beliebtes Buch darüber ist THE MAXWELLIANS von BJ Hunt. Der berüchtigte Oliver Heaviside fand heraus, dass Telegraphensignale tatsächlich EM-Wellen waren, wurde dann aber von William Preece, dem Leiter des britischen Regierungs-Telegraphenbüros, beinahe unterdrückt Stelle keine Fragen oder WH Preece wird dich traurig machen! :) Heaviside verwendete seine neue EM-Theorie der Kabelwellen, um ein riesiges Telegraphieproblem zu lösen: Bei Signalen, die sich entlang von 100-km-Telegraphielinien bewegten, verschwanden die Punkte entweder oder "wellten" sich, und bei Telefonleitungen war die Fernübertragung vollständig verzerrt und unmöglich. (Das Problem war Wellenstreuung oder "Zwitschern", bei dem sich die niedrigen Frequenzen schneller als die hohen ausbreiten.) Die "Telegraphengleichung" und seine "Ladespulen" haben dies behoben und die Telegraphie auch über große Entfernungen breitbandig werden lassen. Er schuf im Alleingang ein Ferngespräch. Aber Preece stoppte diese Häresie schnell, indem er seine politische Macht einsetzte, um eine Anti-Heaviside-Kampagne in der Presse und eine Flüsterkampagne unter Ingenieuren zu starten. Dann gab Pupin of Columbia in den USA vor, Heavisides Ladespulen zu erfinden, sie zu patentieren und über Bell Telephone Millionen zu verdienen, während Heaviside beinahe mittellos blieb und erst nach seinem Tod Ruhm erlangte. (Heh, eine Tesla / Marconi-Geschichte lange vor Tesla und Marconi. Pupin spielte sogar eine große Rolle bei Teslas Sturz!) Jetzt sehen Sie, warum ich in die Geschichte von Telegraph-is-EM-Wellen verliebt bin. Besessen. Lass mich nicht mal anfangen! Hoppla, zu spät. :)

Andreas H erwähnte den Zirkulator für Wellenleiter. Bei analogen Telefonen wird diese Aufgabe von einem nicht perfekten Hybridschaltkreis übernommen, der als Anti-Sidetone-Induktionsspule (ASTIC) bezeichnet wird. Eine perfekte Hybridspule sendet und empfängt Sprache gleichzeitig und getrennt, dh das Signal von Ihrem Sender wird über die Kabel zum Empfänger am anderen Ende geleitet, und das Signal vom entfernten Sender wird über dasselbe Kabelpaar zum Empfänger geleitet. Es wurde frühzeitig erkannt, dass die Menschen sich selbst sprechen hören müssen, damit der ASTIC einen Teil des Signals vom lokalen Sender zum lokalen Empfänger weiterleiten kann.

Innerhalb einer lokalen analogen Vermittlungsstelle besteht der Stromkreis aus zwei Kabeln von einem Telefon über die Relais in der Vermittlungsstelle zum anderen Telefon. Sobald Sie zwischen den Vermittlungsstellen unterwegs sind, wird das Signal von einer Hybridspule an der Vermittlungsstelle aufgeteilt, und Sprache in einer Richtung wird auf einem anderen Stromkreis als Sprache in der anderen Richtung übertragen (4-Draht-Verbindungsstromkreis). Dadurch konnte die Sprache verstärkt werden, da die Verstärker unidirektional sind (nur in eine Richtung). Bei der Fernvermittlung würden die beiden getrennten Pfade durch eine Hybridspule wieder zusammengeführt, und der letzte Zweig des Anrufs würde sich auf einem Paar von Drähten befinden.

Die Sprache auf analogen Telefonen und Vermittlungsstellen war 300 Hz bis 3400 Hz, das sind niederfrequente EM-Wellen.

Wenn Sie jedoch Wechsel- oder Gleichstrom übertragen, gibt es keine unterschiedlichen Ströme auf derselben Leitung. Beispielsweise müssen die Energieversorgungsunternehmen in einem bestimmten Bundesstaat einen Prozentsatz an "grüner" Energie liefern, verfügen jedoch nicht über ausreichende "grüne" Erzeugungsressourcen, sodass sie die Energie von außerhalb des Bundesstaates kaufen. Gleichzeitig verkaufen sie überschüssige nicht-grüne Energie außerhalb des Staates. Wenn sie Energie über dieselbe Verbindung (Drähte) kaufen und verkaufen, gibt es keine zwei konkurrierenden Stromflüsse, die sich auf demselben Draht in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Wenn Staat A eine Kapazität von 500 MW von Staat B kauft und Staat B eine Kapazität von 400 MW von Staat A kauft, gibt es einen Fluss von 100 MW von Staat B nach Staat A. Die Buchhaltung könnte 500 MW und 400 MW sagen, aber die elektrische Realität ist 100 MW.

Sie stören sich.

Elektrische Signale wandern wie Wellen über Wasser. und wenn zwei Wellen aufeinander treffen, kommt es zu Störungen .

Da die Drähte jedoch linear sind, tritt die Interferenz in Form einer Addition auf und ist daher nicht destruktiv für die Information. Wenn Sie also wissen, welches der Signale ist, können Sie das andere Signal durch Subtraktion finden.

Telefonleitungen verwenden (verwendet?) Eine Schaltung mit der Bezeichnung a Hybrid bezeichnete , die die eingehenden und ausgehenden Signale isoliert und es einer einzelnen Kupferschaltung ermöglicht, Sprachsignale in beide Richtungen zu übertragen.

Der Telegraph verwendete wahrscheinlich etwas Ähnliches, wobei der Absender sein eigenes Signal von dem subtrahierte, was er auf der Leitung sieht, wodurch er gleichzeitig mit der Übertragung seines eigenen Signals feststellen konnte, was vom anderen Ende ankam.

Sie schrieben:

Wie kommt es, dass zwei elektrische Ströme gleichzeitig auf demselben Draht in entgegengesetzte Richtungen fließen können, ohne sich gegenseitig zu stören?

aber der ursprüngliche Text sagt:

Zwei Telegraphensignale können gleichzeitig auf derselben Leitung in entgegengesetzte Richtungen wandern, ohne sich gegenseitig zu stören

Hier ist der Widerspruch: Ein Telegraphensignal und ein elektrischer Strom sind nicht dasselbe. Der elektrische Strom ist die lineare Überlagerung von Wellen, die von den Wandlern an jedem Ende auf der Leitung in Bewegung gesetzt werden. Der Strom zu einem Zeitpunkt an einem Punkt auf der Linie kann nur einen Wert haben, aber wir können diesen Wert berechnen, indem wir den Beitrag der Wellen aus den Signalen berechnen, die an jedem Ende der Linie anliegen, und diese addieren.

Stellen Sie sich als einfacheres, aber direkt beobachtbares System eine Stereoanlage vor, die Musik in einem Raum spielt. Ein Lautsprecher ändert nicht, wie sich die Druckwellen des anderen Lautsprechers ausbreiten. Der Nettodruckgradient an jedem Punkt im Raum und im Augenblick ist das Ergebnis der Addition der Druckwellen von jedem Lautsprecher.

Auch wenn physikalische Größen wie Strom oder Druck nur einen Wert haben können, wenn wir wissen, dass diese Größen durch eine additive Kombination von Ursachen beeinflusst werden, ermöglicht das Prinzip der linearen Überlagerung, dass das System in kleinere Teile zerlegt wird, die separat betrachtet werden können: in diese Stellen Sie die Telegraphenstation an jedem Ende der Leitung auf und die Wellen, die sie erzeugt und die sich die Leitung hinunter ausbreiten.

Signale bestehen aus Wellen. Wellen gehen aneinander vorbei und bleiben nach dem Passieren unverändert. Elektromagnetische Wellen. Wellen auf dem Meer passieren sich auch gegenseitig (obwohl sie manchmal Effekte haben, auf die ich nicht eingehen werde). "Interfere" war eine schlechte Wortwahl des Autors. Niemand kann dir wirklich sagen warum. Aber Sie wissen schon instinktiv, dass Wellen sich gegenseitig passieren können. Denken Sie nur an Licht, das gleichzeitig aus einem Fenster und durch ein Fenster scheint. Das scheint nicht verwirrend zu sein, oder?

In Ihrer Frage verwenden Sie das Wort "aktuell". Strömungen sind eine andere Sache. Strom in einem Draht ist im Grunde als der Ladungsfluss über einen Punkt definiert. Dies wäre Nettofluss. Es macht also keinen Sinn, über Strömungen zu sprechen, die sich irgendwie überschreiten.

Ich versuche zu vermeiden, über fortgeschrittenere Übertragungsleitungseffekte wie Kapazität und Induktivität zu sprechen, da ich befürchte, dass es das Wasser nur noch mehr trüben wird. Die Quintessenz ist, dass Signale sich gegenseitig passieren können und sich während des Passierens am Ort des Passierens gegenseitig beeinflussen. Aber nach dem Überholen machen sie weiter, als ob das Überholen nie passiert wäre. Denken Sie nur an Licht, das in beide Richtungen durch ein Fenster fällt.

Es ist nicht aktuell, sondern SIGNAL, das sich in eine oder alle Richtungen bewegt. Deshalb muss ein Telefonhörer den empfangenen Ton beim Sprechen nicht unterbrechen, und das ist uns vertrauter als Telegraphenprotokolle.

Dies ist eine Spielerei, die als "Hybrid" bezeichnet wird. Sie sendet ein Signal an Ihr Ohr, das hauptsächlich das Signal des entfernten Telefons enthält, und erzeugt ein Signal (Modulation des Stroms) entsprechend Ihrer Stimme, die auf das Mikrofon angewendet wird. Was Sie HÖREN, ist nicht der Strom in der Leitung, der gleichermaßen durch zwei Stimmen moduliert wird. Es ist zu 90% die entfernte Stimme, die Sie hören, und nur zu 10% Ihre eigene. Ein ähnlicher Hybrid am anderen Ende der Verbindung bricht den Hauptteil seiner Spracheingabe ab, sodass Ihre Stimme in diesem Telefonhörer stark gehört wird.

Der Hybrid ist eine Signal-Additions-Schaltung, die sowohl auf Ihre Stimme als auch auf die Kombination von zwei Stimmen (auf der Leitung) zugreifen kann und diese kombiniert, um die Botschaft aus der Ferne zu verstärken. Nichts in diesem Schema ist für ein Telegraphenbüro nicht verfügbar, das auch während des Sendens als Empfangsstation arbeiten kann.

Es ist für einen drahtlosen Sender (nicht digitaler Art), der normalerweise einen Push-to-Talk-Unterbrechungsschalter hat, NICHT leicht verfügbar. Unsere Mobiltelefone, die digitale Pakete senden, stören viel, gerade so schnell, dass es uns selten stört, da diese Hybridfunktion schlecht mit einem Empfänger interagiert, der während einer Übertragung überlastet wird.

Ihre Analogie ist gebrochen. Denken Sie nicht an eine Spur von Autos, es sei denn, Sie stellen sich die Autos als Autoscooter vor, die alle zusammengesetzt sind.

Die tatsächliche durchschnittliche Geschwindigkeit der Elektronen, die sich durch einen Draht bewegen, ist ziemlich langsam. Die Driftgeschwindigkeit von Elektronen in einem Draht beträgt typischerweise einige Mikrometer / Sekunde und ist überhaupt nicht schnell.

Was sich durch den Draht ausbreitet, wandert von Elektron zu Elektron, von Quelle zu Ziel. Dieser Vorgang geschieht sehr schnell, fast mit Lichtgeschwindigkeit. In der Autobahn-Analogie wäre es analog, das erste Auto zu treffen und jedes Auto gegen das davor zu stoßen. Obwohl sich jedes Auto insgesamt langsam bewegt, könnte sich eine Welle durch die Kette ausbreiten, vorausgesetzt, Sie können sie hart genug treffen.

Offensichtlich können mehrere Schallwellen gleichzeitig in mehreren Richtungen durch die Luft wandern. Wenn Sie jedoch etwas ausrufen, wandert ein einzelnes Molekül nicht unbedingt direkt von Ihrem Mund zum Ohr des Zuhörers. Stattdessen überträgt das Prellen zwischen Molekülen durch die Luft den Schall. Das Gleiche gilt grundsätzlich für elektrische Signale.

Betrachten Sie die folgende Situation:

Nehmen wir an, wir haben ein einzelnes Adernpaar mit einer steuerbaren Spannungsquelle an einem Ende und einer steuerbaren Stromsenke am anderen Ende. Da beide Enden das Signal des anderen Endes messen können (an der Spannungsquelle können wir den Strom messen und an der Stromquelle können wir die Spannung messen), können wir Informationen in beide Richtungen übertragen. Es ist kein Frequenz- oder Zeitmultiplex beteiligt. Und es gibt keine Störung, und wir müssen uns nicht auf die Wellentheorie berufen.

Weitere Details finden Sie in meiner Antwort auf Physics SE .

Ein Antennenkabel für eine Satellitenschüssel überträgt Ströme in zwei Richtungen. - Der Tuner liefert ein 18-Volt-Gleichstromsignal, um den LNB im Brennpunkt der Schüssel mit Strom zu versorgen. Gleichzeitig sendet der LNB ein Signal von 4 bis 12 GHz Zurück zum Tuner, über das gleiche Kabel.

Beide sind elektrische Ströme, aber einer ist Gleichstrom und ist flach, der andere ist Hochfrequenz und variiert.

Das liegt daran, dass sich jede Welle gegenseitig durchdringen kann. Es treten Interferenzen auf, die jedoch die Wellen nicht stoppen.

Es ist wie zu fragen, warum sich zwei Wellen in einem Teich gegenseitig passieren können. Wenn die Wellen völlig entgegengesetzt sind, werden sie sich vernichten, sonst werden sie sich gegenseitig schwächen und weitermachen.

Es wurde von vielen Ingenieuren und Forschern (einschließlich mir) beobachtet, dass Metallleiter ein lineares Verhalten in Bezug auf elektrische Ströme und Spannungen aufweisen. Wie bei den meisten Materialien gibt es jedoch ein lineares Verhalten nur über einen bestimmten Bereich. Hohe Ströme führen zu einem nichtlinearen Verhalten. Bei guten Leitern wie Kupfer, Silber und Gold ist der Bereich des linearen Verhaltens ziemlich groß. Diese Metalle haben einen geringen Widerstand (jedoch nicht Null). (Wenn Sie annehmen, dass Metalle keinen Widerstand haben, werden Sie seltsame Vorhersagen treffen, die nicht mit der Realität übereinstimmen.)

Bei niedriger Stromdichte gibt es viele freie Räume im Metall, in die sich Elektronen bewegen können, und sie stoßen nicht aneinander oder bleiben sehr oft stecken. so dass nicht viel Energie vom Metall absorbiert wird und das Verhalten linear erscheint (die Autoscooter sind weit entfernt)

Wenn die Stromdichte im Metall hoch genug wird, überträgt der Strom erhebliche Energie auf das Metall, wodurch sich sein Widerstand ändert, und das Verhalten ist nicht linear geworden. Als einfaches Beispiel wird ein dünner Draht (wie 28 Gauge) über die Klemmen einer großen 12-V-Autobatterie angeschlossen. Das Metall wird heiß, schließlich schmilzt es und unterbricht den Stromkreis. Dies ist SEHR nichtlineares Verhalten. Dieser Draht trägt wahrscheinlich 50 Ampere oder so. (Versuchen Sie dies NICHT selbst - es können Metallschmelzen herumfliegen, Brände und schwere Augenschäden verursacht werden.) Andererseits, wenn ich zwei Signale (bevor ich sie schmelze) mit jeweils 0,001 Ampere auf dasselbe Kabel lege wird das Verhalten ziemlich linear sein.

Dieser Typ winkt, um einen existenzielleren Punkt zu machen. Es funktioniert im Prinzip, aber nicht wie er sagt. Und mit Signal, nicht aktuell .

Heck, auch im Radio, zwei Sender können und können die gleichzeitige Verwendung blockieren . Hören Sie sich das um 1:25 an. Das "Booooop" ist, dass beide Flugzeuge "ihre" Startfreigabe anerkennen, sich aber gegenseitig treten, so dass mindestens einer nicht gehört wird.

Wenn Sie ein DC-Telegraphensystem verwenden, tritt dasselbe Problem auf. Ob beiden Telegrafentasten gedrückt wird, werden beide ausgelöst akustischen Signale aktiviert. Es ist wirklich nicht möglich, DC-Signale in der DC-Domäne in entgegengesetzte Richtungen zu senden (außer bei einer CSMA-CD, wenn gewartet wird, bis die andere Person fertig ist, und wenn nicht zwei Personen gleichzeitig gestartet werden).

Stellen Sie sich jedoch vor, die Telegraphenstation 1 sendet Gleichstrom und die Telegraphenstation 2 hat ihren Schallgeber über eine Wechselstrom-Sperrdrossel angeschlossen. Station 2 sendet durch Ein- und Ausschalten von 1000-Hz-Wechselstrom, was nur Station 1 hören kann, da sein Schallgeber einen Kondensator in der richtigen Größe hat, der 1000-Hz-Wechselstrom durchlässt, jedoch Gleichstrom blockiert.

Sie können dies auf mehrere Wechselstromfrequenzen erweitern, indem Sie "Bandpass" -Filter verwenden, die nur eine bestimmte Frequenz durchlassen. Betrachten Sie den Bah-Boo-Piepton, der die Feuerwache in der Fernsehserie Chicago Fire ankündigt . Diese Show ist eine große Hommage an eine Show aus den 1970er Jahren mit dem Titel Emergency , dem Ursprung der Töne. Emergency zeigt ein Brandmeldesystem aus den 1960er Jahren, bei dem mehrere Frequenzen auf diese Weise verwendet wurden.

Zwei Sender, die gleichzeitig senden, erzeugen einfach einen Akkord auf dem Draht. Die Frequenzen müssen sorgfältig ausgewählt werden, damit sich die Akkorde nicht gegenseitig stören.

Alle Stationen hören alle Signale. Sie ignorieren einfach "ihr eigenes Hundefutter", dh das Signal, das sie senden.

Es kann komplexer werden, wenn Trägerwellen moduliert werden. An dieser Stelle geht es um das Funkspektrum, aber auf Draht .