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什么是电子

拉尔夫·莫里森2018年5月3日6条评论

介绍

标题所提出问题的一个答案可能是:“这种理解使设计人员能够互连电气组件以执行电气任务。” 这些任务可能涉及测量,放大,移动和存储数字数据,耗散能量,运行电动机等。电路理论使用了正弦关系 元件,电压,电流和时间来描述电路的功能。我们可以直接测量的参数是电压和时间。这意味着电子技术是操纵电压以执行各种电气任务的技术。我想提出一个不同的定义。 这就是本文的主题。

在数字电子设备中,电压差可以表示数据,或者可以用来衡量用于操作有源组件的能量。所有导体几何形状均具有电容。与电容相关的电压差表示存在能量。改变电路上的电压意味着必须移动或耗散能量。这些是我们要处理快速数据时必须考虑的基本过程。电路理论不是基于移动能量,而是自然界的唯一目标。玩大自然的游戏而不是与她争斗会使设计表现出色。我们常常不了解大自然在做什么。幸运的是,她非常稳定,我们最终可以一遍又一遍地弄清她的所作所为。

储存或移动能量。

常见的误解是信号是在导体中传输的。这种关联以某种方式超越了导体既携带信号又携带能量的观念。一些简单的计算就可以证明这是一个错误的主意。考虑一条承载5伏逻辑信号的50欧姆传输线。开关闭合时的初始电流为500 mA。典型的痕迹是克分子摩尔数为6 x 10的铜23 铜原子(阿伏伽德罗数)。每个原子可以为电流贡献一个电子。知道电子上的电荷后,很容易表明500 mA的平均电子速度为每秒几厘米。更有趣的是,只有一万亿个电子参与此电流。这意味着万亿个电子中只有一个载流电子。这也表明,移动能量的磁场不在导体中。唯一有意义的解释是磁场中的能量必须位于两个导体之间的空间中。导体最终引导能量流- 没有能量。

导体中引起电流流动的电场呈现出类似的图像。对于在接地平面上方5 mils的传输线走线,走线下方空间中的电场强度约为49,000 V / m。导体内部的电场可能为每米0.1V。电场中的能量与场强的平方成正比。导体内和附近的场强的平方比约为2.4 x 1011。可以肯定地说,走线或导电平面中的电场或磁场能量很小。由于存在能量并且能量不存在于导体中,因此它必须存在于导体之间的空间中。对于包括直流在内的所有频率的正弦波或方波都是如此。这个想法在电路理论中并不经常讨论。这个想法解决了大多数干扰问题。这个想法是好的电路板布局的核心。如果代表信息的能量是在空间中传播的,那么必须使这些空间不受干扰场的影响是有意义的。该路径还应控制特性阻抗,以便控制反射。我们真正需要做的是为逻辑能量流提供一条平滑的路径。

场论

1858年,麦克斯韦向世界展示了他著名的场方程。很难相信他是在没有元件或什至没有我们今天所知的电线的情况下这样做的。没有电路,也没有电路理论。没有示波器。麦克斯韦方程组被认为是科学领域最伟大的成就之一。这些方程式不包括电压或阻抗。只有电场和磁场强度。即使在先进的计算能力下,我们也很难使用这些场方程。工程师非常有创造力,他们找到了解决大多数数学问题的方法。发展起来的方法称为电路理论。当出现新问题时,工程师通常会发明一种新的解释,而不是使用物理学的基础知识。工程界根本不接受需要设计空间的想法。可以理解控制特征阻抗的走线间距,但通过放置不认为是一个问题。去耦电容器的作用也没有得到充分认识。

能量在传输线上的移动方式通常无法完全解释。我会给你一个简单的例子。考虑向传输线施加阶跃电压。前沿将到达的能量的一半转换为静态能量。在前沿的后面,既有存储在线路电容中的能量又有运动中的能量。电压测量无法将能量存储与能量运动分开。还有另一个哲学问题。这些场在波阵面后面是静止的。我们无法检测到任何运动,但是一半的电场和磁场以光速移动能量。耦合在一起并耦合到导体的稳定场对移动能量的事实也不容易接受。

在开路反射后,能量继续从源头沿线路向前移动。能量是 在开路时反射或消散。反射波的前沿将到达的能量转换为电场,从而使电压加倍。反射波沿与能量流相反的方向移动。假设没有损失,我们描述的波动是振荡的一部分。当返回波到达光源时,不再从能源中获取能量,我们有了一个振荡器。完成一次循环需要两次往返前沿。在周期的某一点,所有存储的能量都是电的,而在周期的另一部分,所有存储的能量都是磁的。这是因为如果电容和电感并联,则这是熟悉的LC储能电路。

快速电路板和能源管理

电子器件处于恒定的通量状态。如今,能量以快速的逻辑结构移动,并经常有意地辐射到接收设备。趋势是更多的数据和更快的操作。从我的著作中可以看出,我认为电子学可以有很多改进。如果您想了解更多有关设计现代电路板的问题, 阅读我的最新书。本书的名称是本节的标题。它由John Wiley 和 Sons出版。

我对电子学的定义是:在导电结构中电磁场能量的平稳流动,以执行特定的电气任务。除计划的点外,该能量不应离开电路。请注意,组件是导电结构。


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评论者 jms_nh2018年5月25日
导体内部的电场可能为每米0.1V。

嗯这引起了我的注意,因为理想导体内的电场应该为零...。

这是铜,其电导率sigma = 约6×107 单位/米,并且使用\(J = \ sigma E = 6 \ times10 ^ 7 \ text {S / m} \ cdot 0.1 \ text {V / m} = 6 \ times10 ^ 6 \ text {A / m} ^ 2 \\) 。 1盎司铜的1000万迹线为0.254mm× 34.79微米 = 8.8×10-9 m2,乘以电流密度J为0.05A。

5V / 50欧姆= 0.1A

是的,距离不远。对不起,我怀疑你。 :-)

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评论者 尔米察姆2018年5月10日

我不是春鸡,但是,这对我来说是一个新的范例,我受到启发去做进一步的研究。我期待着阅读您的出版物。

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评论者 西蒙巴格利2018年5月10日

这是查看电子电路原理的一种非常有趣的方式。

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评论者 艾伦·摩尔2018年5月10日

与我多年前作为一名EE学生获得的观点截然不同。我在电路理论和电磁学的基础上受过良好的训练,但是当我涉入新兴的数字电子领域时,甚至把大部分东西都留在了后面,这对我不利。我会对更多作者的文章感兴趣。

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评论者 轻微2018年5月15日

你好拉尔夫·莫里索,

感谢您的来信。听起来很有趣!
对我来说,这有点难以理解-我认为这与以下几点有关:
- 我绝对只有关于 电子/电路等(例如“这是电阻”和“这 是一个电容器”-就是这样-所有其他事情都是我自己想的-并且 所以大多是实用的,而不是理论上的;-))
-而且英语不是我的母语-因此有时很难理解单词背后的含义;-)

为此,我认为一些简单的图形可以补充 文本将是有帮助的:-)
我将在几天后重新阅读您的文章-希望在二读时情况会变得更清楚;-)

阳光明媚的问候

斯蒂芬

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评论者 发酵的2018年5月22日

作为一个没有经验的工程师,我完全同意,对电子学的这一概念的理解对于设计批量生产的电子产品至关重要,必须长期可靠并且必须尽快开发。 

我发现自己处于非常不舒服的位置,在这些职位上,我对电子学的理解和准备不足以解决电磁问题,因此不得不深入研究书籍并依靠几乎“神奇”的解决方案。但是,了解如何传输能量以及能量在何处打开,打开了现实世界,即PCB和安装在其上的电路如何相互作用。

感谢您提供如此出色的文章,绝对是在看您的书。

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