Saltar al contenido

Ruta de propagación de ondas EM en un cable de circuito

Por fin después de mucho batallar pudimos encontrar el resultado de esta duda que algunos de nuestros lectores de este sitio web tienen. Si tienes algún detalle que aportar no dejes de compartir tu información.

Solución:

(1) Si la onda es inducida y propagada por la fuente de voltaje (batería), entonces debe tomar la ruta vectorial del campo magnético creado por la batería, en lugar de la ruta del circuito.

Sí, y el campo magnético sigue la ruta del circuito, pero permanece fuera de los cables. La corriente eléctrica en un cable está provocando un campo magnético que se encuentra bien fuera del cable … y el flujo de energía eléctrica se encuentra en el campo exterior y no dentro del cable.

En otras palabras, cuando los electrones fluyen, no hay energía dentro de los electrones, sino que todo está en el espacio vacío; en los campos circundantes de los electrones.

Oh, también tenga en cuenta que la batería extrae electrones del cable positivo, que envía una onda a través de ese cable. En otras palabras, la batería envía energía a lo largo de ambos cables, y no solo a lo largo del cable negativo como en su diagrama. Y, con mangueras y agua, puede enviar olas succionando, así como soplando. (Ambos cables ya estaban llenos de portadores de carga, por supuesto. Los electrones son el “medio” para las ondas rápidas).

(2) Si la onda electromagnética es causada por algún efecto balístico (un electrón “presiona” al siguiente electrón como moléculas de agua en un tubo …

No es un efecto balístico, ya que todo esto funciona de la misma manera con cables perfectamente conductores de cero ohmios y sin que haya que empujar fuerzas contra cada electrón de la cadena.

Sí, las fuerzas en una manguera de agua pasan a través del agua, pero los circuitos son diferentes. La “presión” en los circuitos implica capacitancia; involucra el campo-e o “campo de voltaje” ubicado en el espacio entre los cables. Brevemente, la “presión” se crea cuando la batería toma electrones de un cable, dejando atrás protones positivos. Obliga a los electrones a entrar en el otro cable, cargándolo en negativo. Los cables positivo y negativo son un condensador, y las fuerzas sobre los electrones solo aparecen en el espacio, en el “dieléctrico”. Las fuerzas no afectan los cables de conexión, sino que impulsan a los electrones del filamento a fluir contra una fuerte resistencia allí.

La respuesta completa a sus preguntas está en la parte de “campo cercano” del tema de la teoría EM, y también en la teoría de antenas en el límite de baja frecuencia y donde las estructuras metálicas << longitud de onda. En otras palabras, podemos analizar un circuito de linterna como una antena de cuadro, pero luego ejecutarlo a cero o baja frecuencia, donde la radiación de las ondas EM llega a cero.

Solo para su información, aquí está el campo magnético de CA de una (pequeña) bobina a baja frecuencia (sin ondas EM que escapen):

MIT Teal: campo osc v2

Y aquí está la misma bobina funcionando a una frecuencia más alta, donde el campo magnético aún se expande y colapsa, pero también las ondas EM están volando:

MIT Teal: campo osc intermedio v2

Para los circuitos de batería de CC, la radiación EM del circuito es efectivamente cero. Hay campos fuertes, pero no se alejan como olas. Las líneas de flujo de energía del vector de Poynting están en el espacio, pero deben curvarse para seguir el circuito. No se permite que las líneas del vector de Poynting apunten hacia el espacio vacío como en su primer diagrama, ya que los cambios en los campos ocurren muy lentamente y el circuito es demasiado pequeño en comparación con la longitud de onda de cualquier onda EM.

De manera rigurosa, podemos ver un circuito de linterna como una bobina de una vuelta con su campo magnético circundante. Pero en las bobinas en CC, la energía se almacena en el campo magnético, pero no fluye energía …

campo b del circuito de la linterna

A este modelo incluimos la capacitancia: el condensador formado por los dos cables cargados que conectan la batería y la bombilla-filamento. En un condensador puro en CC, la energía se almacena, pero no fluye energía. Dibuje en el campo e entre estos cables positivos y negativos:

e-campo del circuito de la linterna

Siguiente: siempre que la energía eléctrica ES fluyendo, (cuando hay voltios y amperios presentes), aparecen ambos campos. Juntos, estos dos campos muestran una sección transversal de la energía EM que fluye desde la batería hasta la resistencia:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Existe un concepto erróneo generalizado asociado con este diagrama anterior. Muchos estudiantes asumen que solo se aplica a frecuencias extremadamente altas; a la potencia de RF que viaja a lo largo de líneas de transmisión de 2 hilos. Incorrecto. No hay límite inferior para las frecuencias en las que esto se aplica. Funciona para cables de altavoz en su estéreo, para líneas telefónicas y telegráficas, para líneas eléctricas de 60Hz y funciona hasta CC con linternas. (En otras palabras, Maxwell se aplica a los circuitos independientemente de la frecuencia. ¡Doh! ¡Quién lo hubiera pensado!)

Si luego miramos estas líneas de campo desde otro ángulo, y también dibujamos las líneas de flujo de energía del vector de Poynting que conectan entre los “cuadrados” del flujo eyb, entonces el flujo de energía se parece a esto a continuación:

flujo de energía de un circuito de CC

Todo se conecta y tiene sentido: la energía eléctrica sale de la batería, corre aproximadamente en paralelo a los cables de conexión y luego se sumerge en la resistencia / filamento de la bombilla; entrando en la superficie de tungsteno en ángulo recto. Al mismo tiempo, las corrientes en los cables están conectadas o “causando” el campo magnético, y el voltaje a través de los cables está conectado o “causa” el campo eléctrico.

Hay un gran problema con todo esto: ¡solo se presenta a estudiantes de ingeniería de cuarto año! Ellos, y en física a nivel de posgrado, pero no para estudiantes universitarios o de secundaria. No se encuentra en los materiales del curso para técnicos (excepto quizás en cursos de tecnología de radio, y luego nunca se aplica a circuitos de CC, cables telefónicos o líneas eléctricas de 60 Hz). capítulos de libros de texto sobre los temas anteriores SIEMPRE DEBE TENER tarea de matemáticas, ¿verdad? 🙂 ¡Olvídalo! Podemos simplemente explicarlo todo verbalmente y hacer dibujos como se indicó anteriormente. No se permiten matemáticas. No apunte a ingenieros eléctricos, en su lugar hágalo para “La audiencia de Einstein”, donde Einstein no entiende verdaderamente un tema a menos que pueda explicárselo a su abuela.

La respuesta corta a su pregunta es que las ondas EM viajan en la misma dirección que el cable y la corriente, guiadas por dos conductores opuestos, y fluyen hacia cualquier dispositivo que consuma energía (tiene una caída de voltaje y la corriente fluye a través de él). Entonces, para su circuito de bombilla, la onda fluye desde la batería hasta la bombilla entre los cables. Aquí hay una imagen que ilustra esta idea.

Flujo de energía en un circuito simple

También existe la tendencia de la onda a “escapar” del circuito, especialmente en las curvas, o de ciertas estructuras como las antenas, que están diseñadas para maximizar el escape de radiación del circuito. Sin embargo, esto es casi insignificante a bajas frecuencias.

Respuesta larga: lea esta página o esta página para tener una mejor visión de cómo y por qué la ola viaja de la manera en que lo hace. Una cosa a tener en cuenta es que las descripciones de corriente y carga de los circuitos son completamente equivalentes a las descripciones de ondas EM y, por lo tanto, es posible describir el mismo circuito de cualquier manera. Entonces, cuando algunos de los autores describen la energía como “en realidad” viajando fuera del circuito, eso es algo engañoso.

Acuérdate de que tienes la capacidad de añadir una estimación objetiva si te ayudó.

¡Haz clic para puntuar esta entrada!
(Votos: 0 Promedio: 0)



Utiliza Nuestro Buscador

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *