Путь распространения ЭМ волны в проводе цепи

(1) Если волна индуцируется источником напряжения (батареей) и распространяется от него, то она должна двигаться по векторному пути магнитного поля, создаваемого батареей, а не по пути цепи.

Да и магнитное поле следует по контуру, но остается вне проводов. Электрический ток в проводе вызывает магнитное поле, расположенное далеко за пределами провода... и весь поток электрической энергии находится в поле снаружи, а не внутри провода.

Другими словами, когда электроны текут, внутри электронов нет энергии, вместо этого вся энергия находится в пустом пространстве; в полях, окружающих электроны.

О, также обратите внимание, что батарея втягивает электроны из положительного провода, который посылает волну через этот провод. Другими словами, батарея посылает энергию по обоим проводам, а не только по отрицательному проводу, как на вашей схеме. А со шлангами и водой можно посылать волны как всасыванием, так и выдуванием. (Конечно, оба провода уже были заполнены носителями заряда. Электроны являются «средой» для быстрых волн.)

(2) Если электромагнитная волна вызвана каким-то баллистическим эффектом (электрон «давит» на следующий электрон, как молекулы воды в трубке...

Это не баллистический эффект, поскольку все это работает одинаково с идеально проводящими проводами с нулевым сопротивлением и без сил, сталкивающих каждый электрон в цепи.

Да, силы в водяном шланге передаются через воду, но цепи разные. «Давление» в цепях связано с емкостью; он включает электронное поле или «поле напряжения», расположенное в пространстве между проводами. Вкратце, «давление» создается, когда батарея забирает электроны из одного провода, оставляя после себя положительные протоны. Он направляет электроны в другой провод, заряжая его отрицательным зарядом. Положительный и отрицательный провода представляют собой конденсатор, при этом силы, действующие на электроны, проявляются только в пространстве, в «диэлектрике». Силы не воздействуют на соединительные провода, вместо этого они заставляют электроны нити течь, преодолевая там сильное сопротивление.

Полный ответ на ваши вопросы есть в "ближней" части темы ЭМ теории, а также в теории антенн в пределе низких частот и там, где металлоконструкции << длины волны. Другими словами, мы можем проанализировать схему фонарика как петлю-антенну, но затем запустить ее на нулевой или низкой частоте, где излучение ЭМ-волн стремится к нулю.

Просто для информации, вот магнитное поле переменного тока (крошечной) катушки на низкой частоте (без выхода электромагнитных волн):

Бирюзовый Массачусетский технологический институт: поле osc v2

А вот та же катушка, работающая на более высокой частоте, где магнитное поле все так же расширяется и схлопывается, но еще и ЭМ-волны разлетаются:

MIT Teal: промежуточный уровень osc field v2

Для цепей батарей постоянного тока электромагнитное излучение от цепи практически равно нулю. Есть сильные поля, но они не улетают волнами. Линии потока энергии вектора Пойнтинга находятся вне космоса, но они должны изгибаться, чтобы следовать контуру. Линии вектора Пойнтинга не могут указывать наружу в пустое пространство, как на вашей первой диаграмме, поскольку любые изменения в полях происходят слишком медленно, а контур слишком мал по сравнению с длиной волны любых электромагнитных волн.

Строго говоря, мы можем рассматривать схему фонарика как одновитковую катушку с окружающим ее магнитным полем. Но в катушках на постоянном токе энергия сохраняется в магнитном поле, но энергия не течет...

К этой модели мы относим емкость: конденсатор, образованный двумя заряженными проводами, соединяющими батарею и нить накаливания. В чистом конденсаторе при постоянном токе энергия сохраняется, но энергия не течет. Нарисуйте электронное поле между этими положительными и отрицательными проводами:

Далее: всякий раз, когда электрическая энергия ЕСТЬ течет (когда присутствуют и вольты, и амперы), тогда появляются оба поля. Вместе эти два поля показывают поперечное сечение ЭМ-энергии, протекающей от батареи к резистору:

Существует распространенное заблуждение, связанное с приведенной выше диаграммой. Многие студенты предполагают, что это относится только к чрезвычайно высоким частотам; мощности ВЧ, передаваемой по 2-проводным линиям передачи. Неправильный. Там нет нижнего предела для частот, где это применимо. Он работает для акустических кабелей в вашей стереосистеме, для телефонных и телеграфных линий, для линий электропередач 60 Гц и работает вплоть до постоянного тока с фонариками. (Другими словами, Максвелл применим к цепям независимо от частоты. Ох! Кто бы мог подумать!)

Если мы затем посмотрим на эти силовые линии под другим углом, а также нарисуем линии потока энергии вектора Пойнтинга, которые соединяют «квадраты» потоков e и b, то поток энергии будет выглядеть примерно так, как показано ниже:

Все это соединяется вместе и имеет смысл: электрическая энергия извергается из батареи, проходит примерно параллельно соединительным проводам, затем ныряет в резистор/лампу накаливания; входя в поверхность вольфрама под прямым углом. В то же время токи в проводах связаны или «вызывают» магнитное поле, а напряжение на проводах связано или «вызывает» электрическое поле.

Со всем этим есть одна большая проблема: это когда-либо представлялось только студентам 4-го курса инженерных специальностей! Им и на уровне выпускников физики, но не старшекурсникам или старшеклассникам. Его нет в материалах технических курсов (за исключением, возможно, курсов радиотехники, которые никогда не применялись к цепям постоянного тока, телефонным кабелям или линиям электропередач 60 Гц). главы учебника по вышеуказанным темам ВСЕГДА ДОЛЖНЫ ИМЕТЬ домашнее задание по математике, верно?, правильно? :) Забудь об этом! Мы можем просто объяснить все это устно и нарисовать картинки, как указано выше. Математика запрещена. Не нацеливайте его на инженеров-электриков, а делайте это для «Аудитории Эйнштейна», где Эйнштейн не

Краткий ответ на ваш вопрос заключается в том, что электромагнитные волны распространяются в том же направлении, что и провод, и ток, направляясь двумя противоположными проводниками, и втекают в любое устройство, потребляющее мощность (имеет падение напряжения на нем и ток, протекающий через него). Итак, для вашей схемы лампочки волна течет от батареи к лампочке между проводами. Вот изображение, иллюстрирующее эту идею.

Волна также имеет тенденцию «выходить» из контура, особенно на изгибах или некоторых конструкциях, таких как антенны, которые предназначены для максимального выхода излучения из контура. Однако на низких частотах этим можно пренебречь.

Длинный ответ: прочтите эту страницу или эту страницу, чтобы получить лучшее представление о том, как и почему волна движется именно так, а не иначе. Следует иметь в виду, что описания тока и заряда цепей полностью эквивалентны описаниям электромагнитных волн, и поэтому одну и ту же цепь можно описать любым способом. Поэтому, когда некоторые авторы описывают энергию как «на самом деле» путешествующую вне контура, это несколько вводит в заблуждение.

Следует ли электромагнитная волна по тому же пути, что и скорость дрейфа?

Я предполагаю, что вы спрашиваете о случае, когда проволочная петля достаточно велика для эффективного излучения. Это означает, что вы спрашиваете о резонансной рамочной антенне с окружностью, примерно равной длине волны применяемого сигнала.

В данном случае нет, ЭМ волна (или, по крайней мере, поле Е) не следует траектории скорости дрейфа. Почему? Поле Е вызывает ускорение носителей заряда. Таким образом, места с самым высоким электронным полем - это места с наибольшим ускорением носителей. Поскольку мы говорим о синусоидальном колебании, мы знаем, что места с наибольшим ускорением на самом деле будут местами, где скорость равна нулю. И скорость носителя должна быть наибольшей в местах с нулевым ускорением (которые должны быть местами с нулевым полем E).

С другой стороны, максимум поля H должен быть максимальным вблизи мест, где скорость носителя максимальна, в соответствии с законом Ампера.

Если волна индуцируется источником напряжения (батареей) и распространяется от него, то она должна двигаться по векторному пути магнитного поля, создаваемого батареей, а не по пути цепи.

Если вы управляете антенной с источником постоянного тока, таким как батарея, то никакая ЭМ волна не будет генерироваться, потому что батарея производит только постоянный ток. Магнитное поле будет двигаться по петле в направлении, противоположном тому, как вы ее нарисовали, следуя правилу правой руки. Электромагнитное поле будет указывать от частей цепи с более высоким потенциалом к ​​частям цепи с более низким потенциалом, но, вероятно, его придется рассчитывать с помощью электростатического моделирования.

Если электромагнитная волна вызвана каким-то баллистическим эффектом (электрон «давит» на следующий электрон, как молекулы воды в трубке), то не должна ли волна коснуться провода и выстрелить в космос?

Я вернусь к обсуждению антенны с источником переменного тока.

Помните, что электромагнитные волны, генерируемые каждым бесконечно малым элементом антенны, будут мешать друг другу.

Излучение, которое мы видим в дальнем поле, будет представлять собой суперпозицию волн, генерируемых всеми элементами антенны, работающими вместе.

По мере того как сигнал напряжения распространяется по петле, электрическое поле иногда будет указывать от «верха» антенны к «низу», а иногда от «левой стороны» к «правой стороне». Когда сигнал колеблется, эти колеблющиеся поля создают электромагнитную волну с всенаправленной диаграммой направленности; то есть он будет излучать почти равномерно во всех направлениях в плоскости петли.

что ограничивает волну, чтобы пойти в пути провода?

Волна не следует по траектории провода, она излучается наружу. Ток ограничивается движением провода, потому что воздух не содержит достаточного количества свободных носителей заряда для переноса тока.

Ток в проводе возникает потому, что в каждой точке провода есть чистое электрическое поле . Это E связано с изменением плотности поверхностного заряда на поверхности провода при движении от анода к катоду. Это E продолжается и имеет одинаковую силу в данный момент времени в любой точке внутри рассматриваемой проволоки. Изменение E(t) зависит от типа источника. Для источника постоянного тока E(t) постоянна и определяется как V/l(V=напряжение и l=длина провода). Для источника переменного тока$E(t)=E_0 sin(\omega t)$в любой точке внутри провода.

Теперь, согласно модели Друде, электроны беспорядочно движутся во всех направлениях и сталкиваются с тяжелым ядром». В среднем требуется$\tau$время для каждого электрона, чтобы столкнуться снова. Между этим временем электрон ускоряется и, следовательно, должен излучать электромагнитную волну. Эта электромагнитная волна может быть захвачена внутри (поглощенной) проволокой и проявляться в виде тепла. Или это может выглядеть как свет, исходящий от провода. То, что произойдет, в основном зависит от природы материала. Некоторые материалы, такие как вольфрам, используемые в электрических лампочках, светятся, некоторые материалы, такие как алюминий, нагреваются.

Что, как говорится. Там может быть больше деталей. Например, я нашел лучшую модель, чем модель Друда, здесь Free Electron Model . Квантовая механика не входит в мою компетенцию. Так что я мог помочь только с классической физикой. Не стесняйтесь спрашивать в комментариях.