Защо напрежението и токовите вълни се появяват на преносната линия по време на късо съединение
Не разбирам това интуитивно. Късо съединение просто означава, че няма импеданс. Ако импедансът е много по-малък от този на преносната линия, вълните трябва да се движат неконтролирано през късо съединение. Вълните на напрежение и ток, отразени обратно, за мен нямат смисъл.
отговор
Електромагнитна вълна се движи по преносна линия. Това е вариращо във времето електрическо и магнитно поле. Когато валът достигне късо съединение, късото съединение налага правилото V = 0 в този момент. Това разрушава условията, при които вълната може да продължи да тече. Тъй като електрическото поле на това място вече не може да варира във времето. Без тази промяна във времето вълната не може да се движи по-нататък.
И по случайност, той също създава условията, при които вълната може да бъде отразена.
Можете също така да погледнете на това от гледна точка на енергоспестяването. Електромагнитната вълна има енергия. Това всъщност е форма на пътуваща енергия. Късото съединение не може да разсее никаква енергия (ако V = 0, мощност = 0). НО вълната не може да се движи по-нататък, както беше споменато по-рано. Така че наистина няма нищо друго освен размисъл.
Бихте могли да кажете, че когато вълна удари товар върху преносната линия, всяка енергия, която не е доставена на товара, ТРЯБВА да бъде отразена, за да се спести енергия. Разбира се, ако натоварването е антена, част от енергията ще бъде излъчена в космоса, но това всъщност не променя нищо. Антената е моделирана като вид товар и енергията, която се излъчва в пространството, се отчита от резистор в модела.
Преносната линия понякога се моделира като серия от фиксирани елементи. С всяко малко нарастване на линията има еднакво малка индуктивност и капацитет, свързани с него.
Тесен импулс, движещ се по линията - да кажем, че току-що преминава през L4 - ще бъде съхранен в C4 и сега ще премине през L4 по пътя към зареждането на C5. Докато минава през L4, той също се записва там. Индуктивният ток създава магнитно поле, което се натрупва и след това се срутва, създавайки напрежението, което зарежда C5. По този начин пулсът продължава по цялата линия.
Когато възникне късо съединение, напрежението се приближава до нула и токът достига висока стойност. Токът през индуктивността на късото съединение съхранява енергията в магнитно поле и когато полето се срине, токът продължава (според закона на Ленц), но напрежението в индуктора се е обърнало.
След като се опитах да изляза с обяснение без въжета, уравнения или терминология на Star Trek, трябва да кажа, че аналогиите на въжетата са много добри. И има въпрос, подобен на този, и в отговор връзка към този филм на Bell Labs, показващ много интересен демонстратор на вълни. Насърчавам читателите да го видят.
Нека си представим вълни, движещи се по далекопровод. Текуща вълна и вълна от напрежение. Тяхното съотношение е линейният импеданс V/I. Например 50 V вълна и 1 A вълна, движеща се по линия 50 ома. Те винаги се движат заедно и V = 50 * I във всяка точка.
Ако срещнат отворена верига, там не може да тече ток. Така че вие създавате обратна вълна, така че движението 1A назад отменя вълната 1A напред, за да създаде нулеви усилватели в отворената верига (не ме питайте как се появява тази обратна вълна, но се наблюдава). Тази обратна вълна също трябва да има компонент на напрежението, който също трябва да бъде 50V, а тези се добавят до 100V в другия край. Вълната 50V 1A пътува по линията обратно към източника.
Ако ударят късо съединение, там не може да има напрежение. Така че създавате обратна вълна, така че 50V да се прекъсне и да създадете 0V на късо съединение. Вълната 50V 1A пътува по линията обратно към източника.
Вече можете да видите, че ако линията внезапно промени импеданса на 75 ома, 50 V 1A вълна не може да се разпространява напред сама. Създава се малка обратна вълна, така че ако добавите напрежението и тока в преходната точка, напред вълната вече ще се подчинява на V = 75 * I и обратната вълна ще направи разликата.
Представете си дълго въже, прикрепено към стена. Краят на въжето се усуква, за да се създаде „импулс“. Импулсът се движи по въжето, докато удари „стената“ или NODE. (блуждаеща напречна вълна)
На стената въжето е предотвратено от движение (т.е. точка без отклонение).
Това, което се случва, е, че еднаква и противоположна реакция на „стената“ създава извънфазен импулс, който се движи в обратната посока.
Генерира се суперпозицията на предния и отразения импулс уникалното решение, че отклонението на стената (или NODE) е нула.
Това е общо свойство на вълните. В преносната линия "стената" е късо съединение, а "вълната" е компонентът на електрическото поле на електромагнитната вълна.
Опитвате се да приложите основната си "интуиция на Кирхоф" към много по-сложен феномен.
Вълните във верига могат да бъдат правилно описани само с помощта на уравненията на Максуел. Законите на Кирххоф са само приближение на уравненията на Максуел, които работят, когато вълните имат дължина на вълната много по-голяма от физическите размери на веригата, т.е. само когато най-високочестотният компонент в сигнала е много по-малък от c/d, където c е скоростта на светлината и d е размерът на веригата.
Това означава, че KVL и KCL се прилагат само ако веригата работи при така наречените квазистатични условия. При тези условия можете да приближите уравненията на Максуел и да премахнете някои членове от тях и да третирате проблема като електростатичен проблем, така да се каже. В електростатиката можете да определите електростатичен потенциал, който е пряко свързан със (статичното) електрическо поле. Това дава дефиницията на напрежението. Токът също се определя лесно по отношение на плътността на тока.
Когато тези опростени предположения вече не се задържат, дори не можете да дефинирате правилно стреса. Във връзка с преносните линии напрежението може да бъде дефинирано по смисъл само между две точки на една и съща равнина, перпендикулярни на посоката на разпространение. Това означава, че не можете да измерите напрежение между точка на горния проводник и друга точка, да речем на два инча от другия проводник (както лесно можете да направите, ако KVL спре).
Заключение: Откажете се от „мисленето на Кирхоф“, когато се опитвате да разберете преносните линии и развиете „максееловски начин на мислене“.
Във всеки случай тази нишка може да ви даде по-голяма представа в тази посока.
РЕДАКТИРАМ (за отговор на коментар)
Здравият разум не е приложим в тази област (предназначен за игра на думи). Бихте могли да се измъкнете с много несъвършена аналогия (и връзката, която публикувах по-горе, или другите отговори в тази тема), но това е всичко. Има причина човечеството да отнема хилядолетия, за да разбере и обясни електромагнитните явления (статичното електричество е познато експериментално от древна Гърция, да не говорим за мълнията и нейните последици). Ако тези явления бяха лесни за разбиране със здравия разум, нямаше да са необходими мъдреци и учени, за да ги разберат.
Импедансът/съпротивлението като елемент, в който протича токът, е понятие, което е тясно свързано със законите на Кирххоф и анализа на веригите с фиксиран елемент.
В теорията на ЕМ импедансът има съвсем различно значение: Той не свързва напрежението с тока, а повече или по-малко (махане с ръка) Е-поле с H-поле.
Полетата не протичат като токове или съществуват като напрежения в две точки. Разбирането как точно, защо и кога се разпространяват полетата отнема тонове усъвършенствана математика. Уравненията на Максуел са, IMO, концептуално най-трудният предмет във физиката, с който електроинженерът трябва да се справи по време на университетското си образование (квантова механика и физика на твърдото тяло).