Miért jelennek meg feszültség- és áramhullámok egy távvezetéken rövidzárlat alatt?
Ezt nem értem intuitívan. A rövidzárlat egyszerűen azt jelenti, hogy nincs impedancia. Ha az impedancia sokkal kisebb, mint a távvezetéké, akkor a hullámoknak ellenőrizetlenül kell haladniuk a rövidzárlaton. A visszavert feszültség- és áramhullámoknak nincs értelme számomra.
válasz
Elektromágneses hullám halad át egy távvezetéken. Ez egy időben változó elektromos és mágneses mező. Amikor a tengely eléri a rövidzárlatot, a rövidzárlat érvényesíti azt a szabályt, hogy V = 0 ezen a ponton. Ez tönkreteszi azokat a feltételeket, amelyek mellett a hullám tovább futhat. Mivel ezen a helyen az elektromos tér az idő múlásával már nem változhat. Ezen időváltozás nélkül a hullám nem mozdulhat tovább.
És véletlenül megteremti azokat a feltételeket is, amelyek mellett a hullám visszaverődhet.
Energiatakarékossági szempontból is megnézheti ezt. Az elektromágneses hullámnak van energiája. Ez valójában az utazási energia egyik formája. A rövidzárlat nem képes eloszlatni semmilyen energiát (ha V = 0, teljesítmény = 0). DE a hullám nem mozdulhat tovább, amint azt korábban említettük. Tehát valójában nincs más, csak a reflexió.
Mondhatnánk, hogy amikor egy hullám megüt egy terhelést egy távvezetékben, az energiamegtakarítás érdekében a terhelésbe nem juttatott energiát KELL tükröznie. Természetesen, ha a terhelés antenna, akkor az energia egy része kisugárzódik az űrbe, de ez valójában semmit sem változtat. Az antennát egyfajta terhelésként modellezik, és az űrbe kisugárzott energiát a modellben egy ellenállás veszi figyelembe.
A távvezetéket időnként összemosott elemek sorozataként modellezik. Minden apró vonalnövekedéssel ugyanolyan kicsi az induktivitás és a kapacitás.
A vonalon lefelé haladó keskeny impulzus - tegyük fel, hogy éppen halad az L4-en - a C4-ben tárolódik, és most átmegy az L4-en keresztül a C5 betöltéséig. Amint az L4-en megy keresztül, ott is mentésre kerül. Az induktoráram mágneses teret hoz létre, amely felépül, majd összeomlik, létrehozva a C5 töltő feszültséget. A pulzus így folytatódik a vonal mentén.
A rövidzárlat bekövetkezésekor a feszültség nullához közelít, és az áram magas értékre megy. A rövidzárlat induktivitásán átáramló áram mágneses mezőben tárolja az energiát, és amikor a mező lebomlik, az áram folytatódik (Lenz törvénye szerint), de az induktoron átmenő feszültség megfordult.
Miután megpróbáltam magyarázatot előállítani kötelek, egyenletek vagy Star Trek terminológia nélkül, azt kell mondanom, hogy a kötél analógiái nagyon jók. És van egy ehhez hasonló kérdés, és egy válasz egy linket erre a Bell Labs filmre, amely egy nagyon érdekes hullámdemonstrátort mutat be. Arra biztatom az olvasókat, hogy lássák.
Képzeljük el, hogy a távvezeték mentén hullámok mozognak. Egy áramhullám és egy feszültséghullám. Arányuk a V/I vezetékimpedancia. Például egy 50 V-os és egy 1 A-os hullám 50 ohmos vonal mentén halad. Mindig együtt mozognak, és V = 50 * I minden ponton.
Ha nyitott áramkörrel találkoznak, ott nem áramolhat áram. Tehát létrehoz egy hátrafelé irányuló hullámot, így az 1A hátrafelé irányuló mozgás törli az 1A előremenő hullámot, hogy nulla ampert hozzon létre a nyitott áramkörben (ne kérdezze, hogy fordul elő ez a visszafelé irányuló hullám, de megfigyelhető, hogy előfordul). Ennek a fordított hullámnak tartalmaznia kell egy feszültség-komponenst is, amelynek szintén 50 V-nak kell lennie, és ezek a másik végén 100 V-ot adnak. Az 50V 1A hullám a vonalon halad vissza a forrásig.
Ha rövidzárlatot érnek el, ott nem lehet feszültség. Tehát fordított hullámot hoz létre, hogy az 50 V megszakadjon és 0 V-ot hozzon létre a rövidzárlaton. Az 50V 1A hullám a vonalon halad vissza a forrásig.
Most láthatja, hogy ha a vonal hirtelen impedanciát változtat 75 ohmra, akkor egyetlen 50 V 1A hullám sem terjedhet előre önmagában. Egy kis visszafelé hullám jön létre, így ha hozzáadjuk a feszültséget és az áramot az átmeneti ponton, akkor az előremenő hullám most engedelmeskedni fog V = 75 * I értékre, és a hátralévő hullám meg fogja változtatni.
Képzeljen el egy hosszú kötelet, amely egy falhoz van rögzítve. A kötél végét megcsavarják, hogy "impulzust" hozzanak létre. Az impulzus addig mozog a kötél mentén, amíg el nem éri a „falat” vagy a NODE-t. (vándor keresztirányú hullám)
A falon a kötél elmozdulása megakadályozható (azaz eltérés nélküli pont).
Az történik, hogy az egyenlő és ellentétes reakció a „falon” fázison kívüli impulzust hoz létre, amely ellentétes irányban mozog.
Az előremenő és visszavert impulzus egymásra kerül az egyedülálló megoldás, hogy a falon (vagy NODE-n) az eltérés nulla.
Ez a hullámok általános tulajdonsága. Egy távvezetékben a "fal" rövidzárlat, a "hullám" pedig az elektromágneses hullám elektromos térkomponense.
Sokkal összetettebb jelenségre próbálja alkalmazni az alapvető "Kirchoff-intuíciót".
Az áramkör hullámai csak Maxwell egyenleteivel írhatók le helyesen. Kirchhoff törvényei csak a Maxwell-egyenletek közelítései, amelyek akkor működnek, amikor a hullámok hullámhossza sokkal nagyobb, mint az áramkör fizikai méretei, vagyis csak akkor, ha egy jel legmagasabb frekvenciakomponense sokkal kisebb, mint c/d, ahol c a fénysebesség és d az áramkör mérete.
Ez azt jelenti, hogy a KVL és a KCL csak akkor érvényes, ha az áramkör úgynevezett kvázistatikus körülmények között működik. Ilyen körülmények között közelítheti Maxwell egyenleteit, eltávolíthat néhány kifejezést belőlük, és a problémát úgymond elektrosztatikus problémaként kezelheti. Az elektrosztatikában meghatározhat egy olyan elektrosztatikus potenciált, amely közvetlenül kapcsolódik a (statikus) elektromos mezőhöz. Ez megadja a feszültség definícióját. A villamos energia az áramsűrűség szempontjából is könnyen meghatározható.
Amikor ezek az egyszerűsített feltételezések már nem állnak fenn, akkor még a stresszt sem tudja megfelelően meghatározni. Az átviteli vonalakkal kapcsolatban a feszültség értelmesen csak az ugyanazon a síkon található két pont között merőleges a terjedési irányra. Ez azt jelenti, hogy nem lehet mérni a feszültséget a felső vezeték egy pontja és egy másik pont között, mondjuk két hüvelyknyire a másik vezetéktől (ahogyan könnyen megteheti, ha a KVL leáll).
Következtetés: Dobja el „Kirchhoff gondolkodásmódját”, amikor megpróbálja megérteni a távvezetékeket és kialakítani a „Maxwell-féle gondolkodásmódot”.
Mindenesetre ez a szál további betekintést engedhet abba az irányba.
SZERKESZTENI (válaszolni egy megjegyzésre)
A józan ész nem alkalmazható ezen a területen (szójáték célja). Megúszhat egy nagyon tökéletlen hasonlatot (és a linket, amelyet fentebb közzétettem, vagy a többi választ ezen a szálon), de ez minden. Ennek oka van, hogy az emberiségnek évezredek kellettek ahhoz, hogy megértse és megmagyarázza az elektromágneses jelenségeket (a statikus elektromosságot az ókori Görögország óta kísérletileg ismerték, nemhogy a villámlást és annak következményeit). Ha ezeket a jelenségeket józan ésszel könnyen megértették volna, akkor nem kellett volna bölcseknek és tudósoknak megérteniük őket.
Az impedancia/ellenállás, mint olyan elem, amelyben az áram folyik, egy fogalom, amely szorosan kapcsolódik Kirchhoff törvényeihez és a darabos elem áramkörök elemzéséhez.
Az EM elméletben az impedancia teljesen más jelentéssel bír: nem a feszültséget kapcsolja az árammal, hanem többé-kevésbé (kezet integetve) E mező H-mezővel.
A mezők nem áramlanak, vagy áramlanak, mint feszültségek két ponton. Annak megértése, hogy pontosan hogyan, miért és mikor terjednek el a mezők, rengeteg haladó matematikát igényel. Maxwell egyenletei, az IMO, a fogalom szempontjából legnehezebb tantárgyak a fizikában, amellyel egy villamosmérnöknek egyetemi tanulmányai során foglalkoznia kell (bar kvantummechanika és szilárdtestfizika).