Tôi hiểu rằng trên các bảng mạch có đồng hồ, nếu sóng hài cao hơn có đủ năng lượng, nó sẽ dẫn đến sóng điện từ được phát ra từ các dấu vết tạo ra EMI. Điều tôi không hiểu là tại sao điều này xảy ra ở nơi đầu tiên?
Tại sao một dòng điện tần số cao phải đi qua dây dẫn để nó phát ra bức xạ EM và tại sao điều này không xảy ra với dòng điện tần số thấp? Điều tôi hiểu là dấu vết của bảng về cơ bản bắt đầu hoạt động như một ăng ten trong trường hợp này nhưng tôi không biết lý do.
Câu trả lời:
nhưng điều tôi không hiểu là tại sao dòng electron là các thực thể vật lý dẫn đến sự phát xạ của các sóng EM này
Chúng ta hãy xem xét điều này một cách cụ thể, bởi vì nó là một mối quan tâm chung (và xuất sắc).
Đây là một dây đơn giản, ngay lập tức được kết nối với nguồn điện áp:
mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab
Tại thời điểm này, sự khác biệt tiềm năng giữa đầu bên trái của dây (liền kề với nguồn) và mặt đất là 1 volt.
Đầu cực bên kia của dây vẫn ở dưới đất (chênh lệch 0) vì lực điện động (điện áp) của nguồn chưa được truyền đến đầu kia của dây.
Khi thời gian trôi qua, điện áp xuống dây tăng lên:
Các electron trong dây dẫn đang được gia tốc bởi điện trường (năng lượng tiềm năng của nguồn được chuyển đổi thành động năng trong các electron).
Khi các electron đến cuối *, chúng không thể tiếp tục về mặt vật lý - không còn dây dẫn để truyền đi nữa!
... nhưng các điện tích này có động lượng theo hướng của dây (ví dụ như có động năng).
Khi các điện tích dừng đột ngột ở cuối dây, việc bảo tồn định luật năng lượng đòi hỏi năng lượng này phải "đi đâu đó" - nó không thể biến mất!
Câu trả lời là bức xạ . Năng lượng rời khỏi đầu dây dưới dạng sóng điện từ.
* Cần lưu ý rằng cùng các electron bắt đầu di chuyển ở một đầu của dây không nhất thiết là cùng các electron đến đầu kia của dây, nhưng đây không phải là vấn đề cần thảo luận của chúng tôi.
Rất nhiều thứ gọn gàng rơi ra khỏi đây. Ví dụ, bạn có thể nghĩ về dây trong ví dụ của chúng tôi là bao gồm vô số dây nhỏ hơn. Đối với mỗi trường hợp này, hành vi tương tự sẽ đúng (đó là lý do tại sao bức xạ xảy ra trong toàn bộ chiều dài).
Bạn cũng có thể thấy tại sao bức xạ là kết quả của sự thay đổi trong từ trường điện (ví dụ từ sự thay đổi dòng điện).
Bạn có thể hiểu làm thế nào ăng-ten tuyến tính hoạt động. Trong ví dụ của chúng tôi, bây giờ hãy tưởng tượng rằng ngay tại thời điểm khi điện áp cực đại ở cực xa, chúng ta chuyển nguồn trở lại 0,0V. Bây giờ bạn sẽ có hình ảnh giống hệt nhau nhưng được lật lên (1.0V ở bên phải, 0.0V ở bên trái) và quá trình sẽ bắt đầu lại.
Tiếp tục lặp lại quá trình này và các electron sẽ chạy vô tận (qua toàn bộ chiều dài dây) từ đầu này sang đầu kia. Đó là một ăng ten tuyến tính hoàn hảo ("bộ tản nhiệt").
Nếu dây quá ngắn, sẽ có ít chuyển động hơn và nếu quá dài, sẽ có quá nhiều. Điện áp sẽ tiếp tục tăng xuống dây khi bạn giảm điện áp ở phần gần đó (kết quả nhiễu, rất khó để hình dung chỉ với những số liệu đơn giản này).
Điều tôi hiểu là dấu vết của bảng về cơ bản bắt đầu hoạt động như một ăng ten trong trường hợp này nhưng tôi không biết lý do.
Ở tần số thấp (thực sự, tốc độ cạnh thấp trong các mạch "kỹ thuật số"), các electron có thời gian để đi đến cuối dây trước khi nguồn được chuyển xung quanh và các electron được yêu cầu quay trở lại. Đây được gọi là "phần tử gộp".
Điện áp ở mỗi đầu của dây về cơ bản luôn giống nhau. Đây là hành vi chúng tôi dạy cho các sinh viên điện tử giới thiệu (một dây là một bề mặt đẳng thế = cùng một điện áp ở mọi nơi).
Khi tần số tăng, họ càng ngày càng có ít thời gian để thực hiện chuyến đi và điện áp ở mỗi đầu của dây không còn có thể được đảm bảo luôn luôn giống như trong các hình trước.
Trong thiết kế bảng mạch, bạn không cần phải lo lắng nhiều về bức xạ từ các phần tử gộp. Một xấp xỉ đơn giản là:
Đó là:
trong đó c_m là tốc độ ánh sáng trong môi trường (thông thường đối với đồng trên FR-4 PCB c_m xấp xỉ 1,5e8).
Thay vì một điều trị toán học nghiêm ngặt, đây là một lời giải thích vẫy tay:
Bất kỳ dây nào cũng có từ trường xung quanh nó (vuông góc với chiều dài của dây) khi có dòng điện chạy qua nó. Tuy nhiên, việc khởi động một cách hiệu quả một sóng điện từ cũng yêu cầu giảm điện áp (trường E) ở các góc phải với trường M (dọc theo chiều dài của dây).
Ở tần số thấp, sự sụt giảm điện áp duy nhất là do tổn thất I 2 R trong dây và điều này thường không đáng kể. Tuy nhiên, khi tần số tăng lên, bạn có hai hiệu ứng phát huy tác dụng. Đầu tiên, tổn thất I 2 R bắt đầu tăng lên do "hiệu ứng da" trong dây. Thứ hai, thời gian truyền tín hiệu hữu hạn của tín hiệu dọc theo dây có nghĩa là các đầu của dây có điện áp khác nhau khi tín hiệu thay đổi. Hiệu ứng thứ hai này trở nên đặc biệt quan trọng khi tần số tín hiệu tăng đến điểm có bước sóng 1/4 phù hợp với chiều dài của dây.
Tất cả các tín hiệu AC phát ra bức xạ EM từ các dây dẫn của chúng, nhưng hiệu quả của quá trình này phụ thuộc rất nhiều vào tỷ lệ bước sóng của tín hiệu với độ dài của ăng ten. Các tần số cao hơn có bước sóng ngắn hơn và phát ra hiệu quả hơn từ độ dài của dấu vết mà bạn tìm thấy trên một PCB bình thường.
Nếu bạn có cáp kết nối với thiết bị của mình, ví dụ cáp nguồn hoặc cáp âm thanh, trông giống như một ăng ten dài hơn có thể phát ra dải tần số thấp hơn.
Đây là một hình ảnh có thể giúp: -
Hình ảnh cho thấy ăng-ten bát đĩa nhưng khá đơn giản, đó là ăng-ten giống như một đoạn dây hoặc dấu vết trên PCB NHƯNG, món ăn được thiết kế để phát ra hiệu quả ở một tần số cụ thể trong khi các rãnh và dây có thể "cộng hưởng" ở một số bước sóng .
Gần với dây / đĩa / vết / ăng-ten, điện trường và từ trường được tạo ra để lưu trữ năng lượng giống như cuộn cảm và tụ điện làm - những trường này (gần ăng-ten) không tỏa ra rất xa. Lưu ý trong hình, các đường chấm chấm chồng chéo và giao nhau - hình ảnh đang cố thể hiện sự "không tương thích" giữa các trường E và M. Tôi đang tìm từ chính xác để sử dụng ở đây ... Tôi nghĩ "không mạch lạc" nhưng có lẽ không, có lẽ có một từ tốt hơn là không tương thích.
Khi khoảng cách tăng dần tương đương với khoảng 1 x bước sóng, nếu ăng-ten hoạt động hiệu quả, các phần E và M bắt đầu "căn chỉnh" kịp thời, tức là biên độ của chúng tăng và giảm cùng nhau. Trước đó (trong trường gần) có một âm điệu sai lệch, chủ yếu là do L và C của ăng-ten - các trường E và M không được căn chỉnh theo thời gian và trên thực tế, các trường E và M xung quanh ăng-ten có thể bị sai lệch dường như gần như ngớ ngẩn.
Khi khoảng cách tăng VÀ nếu ăng-ten hoạt động tốt, trong trường hợp được gọi là sóng xa, sóng EM thích hợp sẽ được tạo ra. Nó vẫn là một hiện tượng rất bí ẩn đối với tôi!
Như bạn đã biết, một dòng điện ổn định qua một dây được bao quanh bởi một từ trường, cường độ của nó tỷ lệ thuận với dòng điện. Có lẽ bạn cũng quen thuộc với cơ chế cảm ứng; một từ trường thay đổi tạo ra một điện trường. Bằng cách mở rộng, một dòng điện thay đổi làm phát sinh một điện trường bên ngoài dây, một tính chất thường được sử dụng để truyền năng lượng giữa hai cuộn dây dẫn. Độ lớn của điện trường này được xác định bởi tốc độ thay đổi của dòng điện và do đó tần số.
Không chỉ một từ trường thay đổi sinh ra một điện trường, nó còn hoạt động theo cách khác. Trong một nam châm điện, một điện trường xen kẽ được sử dụng để tạo ra từ trường. Xung quanh dây, trong khoảng 'không gian trống' (không có dòng điện hoặc điện tích), hai trường đang tạo ra các thế hệ mới xung quanh nhau mọi lúc, mặc dù những điều này trong thực tế không rời rạc như lời giải thích này cho thấy. Các thế hệ mới liên tục đẩy mặt sóng về phía trước. Đây là sóng điện từ.
Mặc dù sự đơn giản rõ ràng của các phương trình liên quan, tính toán sự lan truyền của trường điện từ khá tiên tiến ngay cả đối với hình học lý tưởng hóa đơn giản nhất, nhưng nó dễ dàng tạo ra từ kiến thức về cơ chế (và về mặt toán học từ đạo hàm thời gian trong phương trình Maxwell) sóng EM xung quanh một dây có liên quan đến tần số của dòng điện, vì sự thay đổi dòng điện gây ra sóng. Các dây dẫn mang dòng điện tần số thấp cũng tỏa ra, nhưng chỉ một chút.