Почему ток следует по проводнику над плоскостью заземления

Предположим, что над плоскостью заземления находится проводник. Ток течет от источника через проводник к нагрузке на другой стороне. В зависимости от частоты тока обратный путь через заземляющий слой может проходить по разным путям. При постоянном токе обратный ток протекает прямолинейно. Когда частота начинает увеличиваться, ток начинает следовать по пути под проводником. Почему это?

Изначально я думал, что путь тока под проводником минимизирует площадь токовой петли. Но почему текущий путь меняется в зависимости от частоты? Я предполагаю, что это как-то связано с импедансом на разных частотах.

Изменить Вот схема того, что происходит:Обратный путь

Я ищу объяснение, почему это происходит.

В сверхпроводящей плоскости путь постоянного тока также не будет «прямым», потому что магнитное поле не может проникнуть в сверхпроводник, т. е. поле не может распространиться за пределы проводника по плоскости. Только в том случае, когда глубина проникновения в металл велика, могут быть значительные компоненты поля вдали от проводника и только в этом случае может индуцироваться ток в плоскости, удаленной от проводника.
Мне непонятно, о каком сценарии вы спрашиваете. Возможно схема прояснит ситуацию. Вы утверждаете, что этот эффект действительно имеет место, каков ваш авторитет? Где это указано? Если это то, что, по вашему мнению, произойдет, не могли бы вы объяснить, почему вы так думаете? Вы видели, как это происходит?
@sammygerbil Я говорю, что это действительно происходит и широко известно в сообществе электротехники. Практически вся цифровая разводка печатных плат основана на этом принципе, чтобы соответствовать нормативным требованиям.
Спасибо за диаграмму, но лично мне все еще трудно ее визуализировать. Вы описываете печатную плату? Если это хорошо известно в сообществе EE, пробовали ли вы спросить на Elec Eng Stack Exchange?
@sammygerbil Да, это печатная плата. Это дорожка на верхнем слое с плоскостью земли на нижнем слое. Я ищу объяснение, почему это происходит с точки зрения ЭМ, то есть уравнений Максвелла. Вот почему я спросил это здесь.

Ответы (2)

Это действительно распространенный эффект, наблюдаемый в высокочастотных схемах, и часто это разница между хорошей и шумной схемой.

В этой задаче есть две соответствующие шкалы длины: первая — это расстояние между плоскостью и проводником, а вторая — длина волны электромагнитных волн, генерируемых цепью. Если вы подходите к этому с точки зрения электротехники (где этот вид эффекта чаще всего изучается), иногда легко забыть, что все ваши схемы по-прежнему представляют собой просто электрические и магнитные поля и излучение. Всякий раз, когда ваша длина волны намного длиннее, чем ваши элементы схемы и провода, вы можете просто искать прямолинейный путь с низким сопротивлением. Как только ваша длина волны станет сравнима или даже короче ваших компонентов (3 ГГц соответствует длине волны 10 см в воздухе), вы должны начать думать с точки зрения электромагнитных волн и волноводов. На высоких частотах ваши проводники перестают быть эквипотенциальными, но вместо этого начните видеть, как заряд динамически сгущается и колеблется взад и вперед. Текущий путь через наземный план в вашем вопросе меняется, потому что вы переходите между этими двумя режимами.

Самая четкая физическая картина для высокочастотного случая состоит в том, что мощность передается электромагнитной волной. Проводники в основном являются источниками подвижных зарядов, которые плещутся в ответ на поля E и B и локализуют волну в пространстве. В случае тонкого проводника над плоскостью заземления происходит следующее: волна локализуется между ними и следует вдоль провода. Когда волна распространяется, она возмущает электроны непосредственно под проводником больше, чем где-либо еще на плоскости земли, что позволяет нам сказать, что обратный ток течет прямо под верхним проводником. Ваша система становится чем-то вроде «волновода» на более высоких частотах.

Это все еще не объясняет, почему обратный ток следует по проводнику на частотах, на которых обычно отсутствуют эффекты линии передачи. На частоте 1 МГц, которая имеет длину волны 146 м в FR4, обратный ток следует за проводником. Я ищу количественное описание этого эффекта.

Я провел небольшое исследование и дам свой собственный ответ на мой вопрос для тех, кто заинтересован. Обратный ток следует по пути наименьшего импеданса в заземляющем слое. Есть два источника импеданса: удельное сопротивление проводника и связь между дорожкой и плоскостью заземления:

Z "=" р + Дж Икс ю
На низких частотах доминирует удельное сопротивление. Путь наименьшего сопротивления — прямая. По мере увеличения частоты индуктивная связь начинает влиять на путь, поскольку она зависит от частоты.

Связь зависит от площади контура тока в соответствии с законом Фарадея. Когда частота увеличивается настолько, что удельное сопротивление становится незначительным, ток течет ниже проводника, чтобы минимизировать площадь контура, минимизируя импеданс, если смотреть со стороны источника.

Почему ток следует по проводнику над плоскостью заземления
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v