Вопрос Kosterik (из: физика процессов в длинных линиях)

[Pphantom]

Выделено из темы «физика процессов в длинных линиях».

Kosterik - замечание за систематический захват тем.

[Munin]

Kosterik в сообщении #1010250 писал(а):

Dmitriy40 в сообщении #1010237 писал(а):

Kosterik
Извините, но бред.

Ну, может быть и так с точки зрения теории.

Нет, это бред от слова "вообще".

Kosterik в сообщении #1010250 писал(а):

Хотя вот для меня бредом выглядит ситуация когда в первый момент замыкания ключа К с "минуса" источника питания Е вытекает какое-то Х кол-во зарядов (например электронов), в этот же самый момент точно такое же Х кол-во зарядов втекает в "плюс" источника, но при этом совершенно непонятна физическая связь Х=Х между "минусом" и "плюсом" в источнике питания при этом переходном процессе (моменте включения).

Нету никакой связи. В первый момент могут потечь разные заряды, и об этом вам Dmitriy40 сказал давным-давно.

Kosterik в сообщении #1010250 писал(а):

Моя версия - все электроны цепи (строго - с точки зрения наблюдателя в центре! но не с точки зрения любой точки на самой цепи!) движение начинают совершенно одновременно.

Не надо придумывать версии для объяснения того, чего на самом деле не происходит.

Тем более, физически ошибочные.

Kosterik в сообщении #1010271 писал(а):

И вот здесь я начинаю тормозить. Для меня это обычная катушка (радиодеталь "индуктивность", ну или магнитная антенна)

Забудьте эту "обычную катушку" как страшный сон.

Я уже объяснял (но похоже, вы не слушали):

Munin в сообщении #1008957 писал(а):

Фундаментальная теория здесь одна - классическая электродинамика (классический электромагнетизм).

Упрощённых же теорий здесь несколько:
- теория приборов СВЧ - рассматривающая волноводы;
- теория длинных линий (это цепь с распределёнными параметрами);
- теория электрических цепей с сосредоточенными параметрами, которая в свою очередь имеет ещё несколько упрощений:


- теория переходных процессов;
- теория цепей переменного тока (в установившемся режиме);

- теория цепей постоянного тока (которая может рассматриваться как упрощение от двух предыдущих).

Так вот. Ваша "обычная катушка, радиодеталь индуктивность" - это деталь из слишком упрощённой теории - теории цепей с сосредоточенными параметрами. А для анализа реальной физической системы нельзя применять эту упрощённую теорию, потому что при этом теряются существенные факторы и эффекты. Для анализа реальной физической системы необходимо использовать полную теорию - электродинамику. В ней нет "радиодеталей", а есть только проводники, вакуум, электроны, электрические и магнитные поля.

Kosterik в сообщении #1010271 писал(а):

Потому что тогда получается что я и не понимаю как функционирует радиодеталь конденсатор. Ведь заряженный конденсатор та же самая батарейка в моём понимании, в смысле фундаментальная физика рождения силы движения электронов у них одинаковая.

Нет, совершенно разная.

Kosterik в сообщении #1010278 писал(а):

Меня интересовал исключительно первый фронт импульса после подключения источника.
Вот покажу на графике Muninа, выделю красным тот момент который меня интересовал -

Я рисовал от руки. Там мелкие детали. Сначала идёт электромагнитная волна в пространстве, а потом она начинает постепенно разгонять электроны, обладающие инерцией. Поэтому поначалу волна вообще "не замечает" провода: все электроны стоят неподвижно.

И кстати, всё это зависит от деталей ключей, как объяснял rustot (которого вы тоже, похоже, не читали).

Kosterik в сообщении #1010282 писал(а):

И как это не смешно, но вот мне физика почему так (бы было, результаты эксперимента) - совершенно понятна.

Когда вам что-то "понятно", но на самом деле неправильно, - это плохое "понимание", и вокруг него надо ставить кавычки. И говорить про это "физика" тоже нельзя. Этим вы обвиняете физику в том, к чему она отношения не имеет.

[Amw]

Munin в сообщении #1010345 писал(а):

В первый момент могут потечь разные заряды, и об этом вам Dmitriy40 сказал давным-давно.

Помогите "решить / разобраться", как посчитать в этот момент передаваемую мощность?

[Munin]

В фундаментальной теории - в электродинамике - "от корней" все мощности можно посчитать через вектор Пойнтинга.

[Dmitriy40]

Хоть и совершенно не нужно, Munin уже вполне ответил (правда на более общий вопрос), я всё же отвечу.

Kosterik в сообщении #1010271 писал(а):

Разрешите я уточню - из этого вашего объяснения я понял, что существует (пусть и мизерно малый) промежуток времени когда один электрон уже покинул (вытек из) "минус" источника, а электрон на "плюс" источника еще не прибыл (не втек).

Да, такой промежуток времени существует. Просто потому, что об "уходе" электрона никто не сможет "узнать" быстрее чем со скоростью света $c$. Уход электрона вызовет изменение электрического (кстати и магнитного) поля, которое (это изменение) полетит в пространсте и проводах (и источнике) с большой скоростью (близко к $c$) во все стороны, вот как долетит до плюса источника (или до противоположной обкладки конденсатора) - так и возникнет сила, действующая на электроны в плюсе источника.
Второй эффект, электрон не может просто взять и уйти, мгновенно, как только он хоть чуть сдвинется - так сразу (около него) возникнут и электрическое и магнитное поля и во все стороны пойдёт волна изменений полей. И если он продолжит направленное движение - поля так и будут плавно нарастать, причём изменение мгновенных значений полей будет распространяться с той же скоростью "почти $c$". А учитывая реальную скорость электронов в металлах (миллиметры в секунду) - пока электрон куда-то успеет уйти, поля давно везде выравняются.
А не наблюдали вы это в реальности просто потому что характерные времена слишком малы (или что эквивалентно частоты слишком высоки): поделите физический размер источника (конденсатора) на скорость света $c$ и оцените время прохода волны в одну сторону. Увеличьте время на порядок - за этот промежуток почти всё будет выравнено и на ещё бОльших промежутках можно уже забыть про эти тонкости и спокойно пользоваться привычными Вам формулами.
PS. Чисто ради интереса сам прикинул, для воздушного конденсатора с зазором в 3мм время "задержки" изменения потенциалов обкладок составляет по порядку величины $\frac{3\text{мм}}{c} = \frac{0.003}{3\cdot10^8} = 10^{-11}\text{с}$. Всего 10 пикосекунд. В прочих конденсаторах (и источниках тока) обкладки ещё ближе и это время ещё меньше. Потому и не замечали.

[Kosterik]

Munin в сообщении #1010345 писал(а):

И говорить про это "физика" тоже нельзя. Этим вы обвиняете физику в том, к чему она отношения не имеет.

Да ладно, я же говорил "физика" на бытовом уровне. От этого ничего страшного с вашей "высоконаучной" физикой не случится.
Спасибо за развернутое пояснение. Это надо обдумать.

Dmitriy40 в сообщении #1010375 писал(а):

Kosterik в сообщении #1010271
писал(а):
Разрешите я уточню - из этого вашего объяснения я понял, что существует (пусть и мизерно малый) промежуток времени когда один электрон уже покинул (вытек из) "минус" источника, а электрон на "плюс" источника еще не прибыл (не втек).

Да, такой промежуток времени существует.

Для меня это совершенно новое знание. Тут задуматься (на досуге) надо будет сильно. Как работает батарейка и конденсатор я всё же представлял совсем по другому.
И вам большое спасибо за такое подробное пояснение, есть в нем конкретные зерна которые можно взять как основу для размышлений.

[Dmitriy40]

Kosterik в сообщении #1010271 писал(а):

Но теперь мы эту линию разгибаем в идеальное кольцо (виток провода) - рис.2. И вот здесь я начинаю тормозить. Для меня это обычная катушка (радиодеталь "индуктивность", ну или магнитная антенна), вроде как зная на практике свойство этого примитива я даже не могу допустить, что, в пространстве, поле в центре катушки возникает при включении не сразу строго из центра(!), а как бегущая в пространстве точка (имеющая начало от источника). От этого рушится всё моё понимание функционирования радиодетали, её принципиальная физика.

И однако это именно так: поле не возникает строго из центра. Если Вы измеряете поле строго в центре, то оно в начальный момент времени будет иметь сложный вид.
Как только от источника пошли ДВЕ волны увеличения тока (влево и вправо по катушке), так сразу же вокруг этого тока возникло магнитное поле, которое "полетело" во все стороны, в том числе и в центр. Когда оно туда долетит, в центре зарегистрируется нарастание магнитного поля, причём куда будет направлен вектор мне думать лень. По мере распространения тока в проводе поле в центре будет нарастать. После прохода обеих волн изменения тока по всей катушке до источника (и "долёта" этого факта до центра) поле в центре поле примет максимальное значение. Если источник согласован с нагрузкой (катушкой) и никаких колебательных процессов не будет, то так всё и останется и теперь уже можете спокойно пользоваться своими привычными формулами индуктивности.
Время такого процесса несложно оценить по двум размерам: электрической длине катушки (время прохождения волн тока) и радиусу катушки (время прохождения волн поля). Для более-менее реальных случаев будут доли наносекунд. Мгновенно, нулевым, оно не будет никогда.
Если же взять не просто один виток, а много (многовитковая катушка), то там всё намного сложнее, т.к. поле от начала первого витка будет воздействовать на остальные витки и создавать там токи. Детально разбираться мне лень, подозреваю что ток во всей цепи будет выравнен полями задолго до прохода волны тока по проводу катушки и соответственно даже при миллионах витков время нарастания магнитного поля не станет секундным. Но тут могу и ошибиться.

-- 02.05.2015, 16:06 --

Kosterik в сообщении #1010389 писал(а):

Как работает батарейка и конденсатор я всё же представлял совсем по другому.

На "обычных" временах, наносекунды и больше, оно всё работает как все (и Вы, и я) привыкли. Потому что за это время всё успевает выравняться и самосогласоваться.
Учтите ещё, что это всё были очень грубые пояснения, на самом деле всё по другому. Мало того что есть тепловые флуктуации "электронного газа" в металле, так ещё и квантовые эффекты совершенно проигнорированы.

-- 02.05.2015, 16:10 --

(Дисклеймер)

Я прошу прощения у уважаемых физиков за столь грубые и примитивные пояснения. Понимаю что во многом ошибся и многое недосказал. Но мне кажется сразу погружаться слишком вглубь трудно и даже такие пояснения подскажут хоть что-то.

[Kosterik]

Dmitriy40 в сообщении #1010392 писал(а):

Kosterik в сообщении #1010271
писал(а):
Но теперь мы эту линию разгибаем в идеальное кольцо (виток провода) - рис.2. И вот здесь я начинаю тормозить. Для меня это обычная катушка (радиодеталь "индуктивность", ну или магнитная антенна), вроде как зная на практике свойство этого примитива я даже не могу допустить, что, в пространстве, поле в центре катушки возникает при включении не сразу строго из центра(!), а как бегущая в пространстве точка (имеющая начало от источника). От этого рушится всё моё понимание функционирования радиодетали, её принципиальная физика.

И однако это именно так: поле не возникает строго из центра. Если Вы измеряете поле строго в центре, то оно в начальный момент времени будет иметь сложный вид.

Да, еще раз спасибо. Это для меня тоже новое. Вот перекладываю я это на свою СВЧ практику, понимаю что уже при устоявшемся процессе волны всё по другому, но вот с начальным моментом мне всё же придется сильно сильно обдумать то что Вы сказали. Вот физику (надеюсь Munin не заругается) первой волны подаваемой в кольцо - тут пока для меня лес дремучий. (а уж при обратном процессе, когда кольцо как антенна - тут я вообще потерялся).
В общем получил я темку на осмысление на праздном досуге.

[Munin]

Dmitriy40 в сообщении #1010392 писал(а):

Я прошу прощения у уважаемых физиков за столь грубые и примитивные пояснения.

Тема поскакала столь быстро, что я, например, перестал читать всё подряд :-) Вашим пояснениям я доверяю.

Kosterik в сообщении #1010389 писал(а):

Спасибо за развернутое пояснение. Это надо обдумать.

Пояснения (с моей стороны) пока ещё не было! Всё, что я сделал, - это попытался сбить вас с неправильного пути.

А для правильного - вам надо всё-таки всерьёз и систематически прочитать учебник. Отдельные ответы на отдельные вопросы на форуме - не помогут. Это отдельные "детальки паззла", а надо сложить весь паззл.

(Кроме того, ваш преклонный возраст и воспоминания о былых успехах ставят дополнительные препятствия, но если у вас будет большая сила воли - вы их преодолеете.)

-- 02.05.2015 16:32:48 --

Kosterik в сообщении #1010402 писал(а):

Вот перекладываю я это на свою СВЧ практику

Какая ж у вас, у чёрту, СВЧ практика, если вы "катушками индуктивности" мыслите!!!

Врите, да не завирайтесь.

[Dmitriy40]

(Оффтоп)

Munin в сообщении #1010407 писал(а):

Какая ж у вас, у чёрту, СВЧ практика, если вы "катушками индуктивности" мыслите!!!

Ну почему бы нет, заменили все вещи готовыми эквивалентными схемами замещения и считают по ним, на частотах СВЧ этого вроде хватит. А откуда берутся и как выводятся схемы замещения - вопрос уже совсем другой. С квантовыми эффектами ещё не сталкиваются, а обычные уже кем-то посчитаны и "внедрены" в схемы замещения и готовые формулы.

-- 02.05.2015, 16:46 --

Kosterik в сообщении #1010402 писал(а):

Вот перекладываю я это на свою СВЧ практику, понимаю что уже при устоявшемся процессе волны всё по другому, но вот с начальным моментом мне всё же придется сильно сильно обдумать

Я бы хотел подчеркнуть, похоже это явно не сказано, это всё работает так сложно не только в начальный момент, но и при ЛЮБОМ изменении тока/напряжения (и/или электрического или магнитного поля). Просто для Ваших задач все эти тонкие моменты и процессы успевают произойти столь быстро, что Вы их не замечаете. Или они уже учтены в тех формулах, которыми Вы пользуетесь (для переменного тока это именно так, и для длинной линии так).

[Munin]

(Оффтоп)

Dmitriy40 в сообщении #1010418 писал(а):

Ну почему бы нет, заменили все вещи готовыми эквивалентными схемами замещения и считают по ним, на частотах СВЧ этого вроде хватит.

Как раз на частотах СВЧ этого не хватит. Понятия СВЧ - это волновод и резонатор. А не катушки какие-то! Может быть, антенна, ближняя зона, дальняя зона.

Топорно, конечно, иногда, может, и сгодится. Вот только результат будет плюс-минус два лаптя в сторону. А схемы СВЧ требуют, всё-таки, более высокой точности.

Dmitriy40 в сообщении #1010418 писал(а):

А откуда берутся и как выводятся схемы замещения - вопрос уже совсем другой. С квантовыми эффектами ещё не сталкиваются, а обычные уже кем-то посчитаны и "внедрены" в схемы замещения и готовые формулы.

Бяка в том, что отдельный кусок СВЧ-прибора ещё можно свалить на "кем-то посчитано". Но когда они стыкуются вместе - получается "считай всё заново". Единственное спасение - точная согласованность (так, чтобы не было никаких отражённых волн), но на ней одной долго не проживёшь.

[Dmitriy40]

(Оффтоп)

Munin, а, понял, я другое подразумевал под СВЧ - лишь характерные частоты, самое начало диапазона, единицы ГГц, всякие микрополосковые линии и индуктивности в виде отрезков проводников. Ну и волноводы (точнее лишь коаксиальные кабели) и антенны конечно, но их ведь тоже считают по относительно простым формулам, всякие там согласования, коэффициенты потерь, КСВ и прочее подобное. Чтобы всем этим пользоваться кажется не обязательно влезать в дебри электродинамики, ведь кто-то уже учёл в готовых формулах всё важное.
Впрочем, сам я с этим не сталкивался, потому мои слова были слишком самоуверенны. Если был не прав, то прошу прощения и беру их назад.

[Munin]

(Оффтоп)

Dmitriy40 в сообщении #1010445 писал(а):

Munin, а, понял, я другое подразумевал под СВЧ - лишь характерные частоты, самое начало диапазона, единицы ГГц, всякие микрополосковые линии и индуктивности в виде отрезков проводников.

Критерием служит не частота. Частота сама по себе мало что говорит. Критерием служит отношение частоты (длины волны в вакууме) и характерных размеров приборов. Например, если частота единицы ГГц, а провода длиной меньше мм, то это ещё можно считать не СВЧ. А если частота десятки-сотни ГГЦ, а волноводы диаметром сантиметры, то это уже СВЧ. Если вы обсуждаете проводящее кольцо диаметром 10 км, то для него "СВЧ-частоты" наступают уже при 30 кГц. На герцовых частотах его можно рассматривать как "антенну" и "индуктивность", а на гигагерцовых - уже и СВЧ-рассмотрение теряет смысл, можно применять просто геометрическую оптику.

При этом, конечно, есть слово "СВЧ", обозначающее диапазон радиочастот - в том же смысле, что всякие УКВ, КВ, СВ на радиоприёмниках. Это слово не говорит, какую теорию надо применять.

[UR4III]

Dmitriy40 в сообщении #1010254 писал(а):

Когда обе волны дойдут до точки замыкания, то совершенно спокойно пройдут одна мимо (сквозь) другую не взаимодействуя и пойдут по противоположным проводам дальше. При прохождении каждой пары ламп они будут увеличивать яркость свечения. Когда они дойдут до источника на нём они должны бы скомпенсироваться, но вот почему - я объяснить пока не готов.

В процессе "хождения" волны полей заменяются на поля, вызванные переменной плотностью зарядов вдоль линии. Ранее rustot приводил объяснение. Модель волн, бегущих от источника, не объясняет, каким образом поле следует за изгибами проводника.

[Munin]

UR4III в сообщении #1010466 писал(а):

Модель волн, бегущих от источника, не объясняет, каким образом поле следует за изгибами проводника.

Всё там объясняется. Поле следует за изгибами проводника за счёт избыточных поверхностных зарядов.

Dmitriy40 в сообщении #1010254 писал(а):

Когда обе волны дойдут до точки замыкания, то совершенно спокойно пройдут одна мимо (сквозь) другую не взаимодействуя и пойдут по противоположным проводам дальше. При прохождении каждой пары ламп они будут увеличивать яркость свечения. Когда они дойдут до источника на нём они должны бы скомпенсироваться, но вот почему - я объяснить пока не готов.

Не должны и не будут. Они отразятся дальше и от источника, и пойдут снова по всей линии вперёд, а потом назад, а потом вперёд - и так и будут гулять, затухая, размываясь, пока не установится единый стационарный режим по всей линии.

Отсутствие отражения будет только в одном случае - при согласованной нагрузке. А в данном случае её нет ни в конце длинной линии, ни в начале - так что отражения будут.