Проводники и «проводящие пути»

Когда людей спрашивают, какой компонент чаще всего используется в электрических или электронных схемах, типичными ответами являются: «Ну, конечно, все знают его резисторы» или «Это, должно быть, конденсаторы», а иногда даже «Ничто не работает без транзисторов». На самом деле ни один из этих ответов не является правильным; реальный ответ заключается в том, что проводники являются наиболее распространенным типом компонентов.

Очевидно, что без проводников не было бы такой вещи, как электрические цепи. Несмотря на то, что проводники являются основным компонентом электрических цепей, на удивление мало внимания уделяется физике, связанной с проводниками (за пределами учебников), и, похоже, еще меньше внимания уделяется рассмотрению характеристик проводящих структур (таких как «заземление шасси»). когда эти проводники и проводящие сборки используются для критических путей возврата тока в цепи. Возможно, это потому, что провода кажутся не такими уж захватывающими! По иронии судьбы, успешное проектирование ЭМС требует именно такого понимания!

Эта статья освежит (или, возможно, положит начало) знания и понимание читателем ключевых аспектов проводников и проводящих путей путем рассмотрения ряда тем, в том числе:

История дирижеров

Хотя проволока, изготовленная из проводящих материалов (таких как железо или медь), использовалась, возможно, тысячи лет, она использовалась в качестве механического компонента. Лишь несколько сотен лет назад (в 1700-х годах) он был впервые использован как метод определения пути прохождения электрического тока. Некоторые из этих первых применений электричества были для защиты деревянных построек в колониальной Америке путем прикрепления проводящего провода к железным «стержням», установленным на зданиях, чтобы (надеюсь!) обеспечить путь для безопасного проведения ударов молнии в землю, а не в землю. по всей конструкции (что неоднократно приводило к пожарам). Использование провода для этой цели (и изобретение соответствующих громоотводов) приписывают Бенджамину Франклину.

В начале 19 века, когда интерес и всемирное увлечение «электрическим потоком» росли, Майкл Фарадей был одним из первых, кто провел эмпирические эксперименты для понимания свойств проводников.

По мере развития 1800-х годов были разработаны новые способы использования электричества, включая распределение электроэнергии и связь (телеграфные системы). По мере того как эти системы становились более сложными, физически большими и капиталоемкими, возрастало желание более полно понять эти методы взаимосвязи. В результате Оливер Хевисайд в 1880-х годах разработал ряд важных концепций и изобретений, включая теорию линий передачи и кабель «коаксиального» типа, который мы видим сегодня.

Рисунок 1. Первопроходцы в использовании дирижеров: Бенджамин Франклин, Майкл Фарадей и Оливер Хевисайд.

Каково назначение дирижера?

От эволюции проводов для молниезащиты до распределения питания и сигналов и даже до сегодняшнего дня можно видеть, что существует только одно назначение проводника. Эта цель состоит в том, чтобы обеспечить намеченный путь распространения электромагнитной энергии.

Таким образом, проводник используется для:

Этот предполагаемый путь электромагнитной энергии проходит через «проводимость», как описал профессор Максвелл (в дополнение к его теории «тока смещения», такого как ток, который «течет» через конденсатор).

Чтобы понять, как энергия передается от источника к нагрузке, мы начнем с концепции «идеализированного» контура передачи энергии (как показано на рисунке 2).

Рисунок 2: Схема базового или «идеального» контура передачи энергии.

«Идеализированная» петля передачи энергии

На рисунке показан источник мощности (или сигнала), представленный «генератором». На другой стороне рисунка находится нагрузка (которая может быть представлена ​​импедансом). Процесс передачи энергии от источника к нагрузке осуществляется по пути проводимости, обозначенному сплошными линиями на диаграмме). Эту передачу обычно объясняют как аналог тока в воде, поскольку по одному проводнику протекает «ток», а другой проводник действует как «обратный ток». Хотя эта точка зрения не является ошибочной, иногда лучше представить энергию как электромагнитную волну, направляющуюся от источника к нагрузке.