Jak to możliwe, że dwa prądy elektryczne mogą przemieszczać się w przeciwnych kierunkach na tym samym przewodzie w tym samym czasie, nie zakłócając się wzajemnie?

Wstęp do teorii informacji: Symbole, sygnały i hałas , autorstwa Johna R. Pierce'a, mówi:

Chociaż liniowość jest naprawdę zadziwiającą właściwością natury, nie jest w żadnym wypadku rzadka. Wszystkie obwody złożone z rezystorów, kondensatorów i induktorów omówione w rozdziale I w związku z teorią sieci są liniowe, podobnie jak linie telegraficzne i kable. Rzeczywiście, zwykle obwody elektryczne są liniowe, z wyjątkiem przypadków, gdy zawierają lampy próżniowe, tranzystory lub diody, a czasem nawet takie obwody są zasadniczo liniowe.

Ponieważ przewody telegraficzne są liniowe, to znaczy, ponieważ przewody telegraficzne są takie, że sygnały elektryczne na nich zachowują się niezależnie, bez interakcji ze sobą, dwa sygnały telegraficzne mogą podróżować w przeciwnych kierunkach na tym samym przewodzie w tym samym czasie, nie zakłócając się wzajemnie . Jednakże, chociaż liniowość jest dość powszechnym zjawiskiem w obwodach elektrycznych, w żadnym wypadku nie jest uniwersalnym zjawiskiem naturalnym. Dwa pociągi nie mogą podróżować w przeciwnych kierunkach na tym samym torze bez zakłóceń. Prawdopodobnie mogliby, gdyby wszystkie zjawiska fizyczne zawarte w pociągach były liniowe. Czytelnik może spekulować na temat nieszczęśliwego losu prawdziwie liniowej rasy istot.

Myśląc o tym z perspektywy fizycznej, zastanawiałem się, jak to jest, że druty telegraficzne są liniowe w tym sensie, że dwa sygnały telegraficzne (innymi słowy, dwa prądy elektryczne) mogą podróżować w przeciwnych kierunkach na tym samym drucie w tym samym czasie , nie przeszkadzając sobie nawzajem?

Naiwnie myślałem o drucie jako o jednopasmowej, dwukierunkowej drodze. W tej analogii samochody byłyby w stanie podróżować w obu kierunkach, ale nie w tym samym czasie. Jak rozumiem, w ciałach stałych ruch elektronów wytwarza prąd elektryczny, więc elektrony byłyby samochodami. Biorąc pod uwagę wyjaśnienie autora dotyczące liniowości, co się tutaj dzieje z elektronami, które umożliwiają ten równoległy, dwukierunkowy przepływ prądu?

Na stronie Wikipedii nie znalazłem niczego, co by wyjaśniało tę fizyczną właściwość liniowości.

Byłbym bardzo wdzięczny, gdyby ludzie mogli poświęcić czas na wyjaśnienie tego.

PS Nie mam doświadczenia w elektrotechnice, dlatego doceniam wyjaśnienie w skrócie.

EDYCJA: Opierając się na komentarzach z poprzedniego wątku, rozumiem, że moja analogia byłaby dokładniejsza, gdybym reprezentował elektrony jako dwustronne zderzaki, a następnie wyobrażałam sobie dwukierunkowy pas, który zamieszkują, jako wypełniony tymi samochodami, tak aby ruchy w obu kierunkach (prąd elektryczny w obu kierunkach) jest reprezentowany przez sekwencyjny ruch „pchania / szturchania”, jak fala, który jest utrwalany przez każdy samochód „uderzający / szturchający” do samochodu znajdującego się przed nim (w kierunek prądu).

EDYCJA 2: Widzę wiele odpowiedzi, które mówią mi, że rdzeń mojego nieporozumienia wynika z faktu, że zakładam, że prąd elektryczny i sygnał są tym samym. I te odpowiedzi są poprawne, I została przy założeniu, że prąd elektryczny i sygnał to samo, ponieważ autor utrzymuje co oznacza, że są one tak samo w tekście (lub nie uda mu się wyraźnie odróżnić dwa)! Zobacz następujące fragmenty z tego samego rozdziału:

Podczas gdy Morse pracował z Alfredem Vailem, stare kodowanie zostało porzucone, a to, co obecnie znamy jako kod Morse'a, zostało opracowane w 1838 r. W tym kodzie litery alfabetu są reprezentowane przez spacje, kropki i myślniki. Przestrzeń to brak prądu elektrycznego, kropka to prąd elektryczny o krótkim czasie trwania, a kreska to prąd elektryczny o dłuższym czasie trwania.

$$\vdots$$

Trudność, z jaką Morse napotkał swój podziemny drut, pozostała ważnym problemem. Różne obwody, które równie dobrze przewodzą stały prąd elektryczny, niekoniecznie nadają się do komunikacji elektrycznej. Jeśli ktoś przesyła kropki i kreski zbyt szybko przez obwód podziemny lub podmorski, są one biegane razem na końcu odbiorczym. Jak pokazano na rysunku II-1, kiedy wysyłamy krótki impuls prądu, który nagle się włącza i wyłącza, otrzymujemy na drugim końcu obwodu dłuższy, wygładzony wzrost i spadek prądu. Ten dłuższy przepływ prądu może nakładać się na prąd innego wysłanego symbolu, na przykład jako brak prądu. Tak więc, jak pokazano na rysunku II-2, gdy transmitowany jest wyraźny i wyraźny sygnał, można go odbierać jako niejasno wędrujący wzrost i spadek prądu, który jest trudny do interpretacji.

Oczywiście, jeśli zrobimy wystarczająco dużo kropek, spacji i myślników, prąd na drugim końcu będzie lepiej podążał za prądem na końcu wysyłającym, ale spowalnia to szybkość transmisji. Oczywiste jest, że z danym obwodem transmisyjnym wiąże się w jakiś sposób graniczna prędkość transmisji kropek i przestrzeni. W przypadku kabli okrętów podwodnych prędkość ta jest tak niska, że ​​może powodować kłopoty telegraficzne; w przypadku drutów na biegunach jest tak szybki, że nie przeszkadza telegraficznym. Wcześni telegrafiści zdawali sobie sprawę z tego ograniczenia, które również leży u podstaw teorii komunikacji.

Nawet w obliczu tego ograniczenia prędkości można zrobić różne rzeczy, aby zwiększyć liczbę liter, które można wysłać w danym obwodzie w danym okresie czasu. Kreska trwa trzy razy dłużej niż wysłanie kropki. Wkrótce doceniono, że można zyskać dzięki telegrafii podwójnego prądu. Możemy to zrozumieć, wyobrażając sobie, że między końcem odbiorczym galwanometr, urządzenie wykrywające i wskazujące kierunek przepływu małych prądów, jest podłączone między drutem telegraficznym a ziemią. Aby wskazać kropkę, nadawca łączy dodatni zacisk swojej baterii z drutem, a ujemny zacisk z masą, a igła galwanometru przesuwa się w prawo. Aby wysłać kreskę, nadawca łączy biegun ujemny swojej baterii z przewodem, a biegun dodatni z ziemią, igła galwanometru przesuwa się w lewo. Mówimy, że prąd elektryczny w jednym kierunku (do drutu) reprezentuje kropkę, a prąd elektryczny w drugim kierunku (z drutu) reprezentuje kreskę. Brak prądu (akumulator odłączony) oznacza spację. W rzeczywistej telegrafii podwójnego prądu stosowany jest inny rodzaj przyrządu odbiorczego.

W telegrafii jednoprądowej mamy dwa elementy do zbudowania naszego kodu: prąd i brak prądu, które moglibyśmy nazwać 1 i 0. W telegrafii dwuprądowej naprawdę mamy trzy elementy, które możemy scharakteryzować jako prąd przewodzący, lub prąd do drutu; brak prądu; prąd wsteczny lub prąd z drutu; lub jako +1, 0, -1. Tutaj znak + lub - wskazuje kierunek przepływu prądu, a liczba 1 oznacza wielkość lub siłę prądu, która w tym przypadku jest równa przepływowi prądu w dowolnym kierunku.

W 1874 roku Thomas Edison poszedł dalej; w swoim kwadrupleksowym systemie telegraficznym używał dwóch natężeń prądu oraz dwóch kierunków prądu. Wykorzystał zmiany natężenia, niezależnie od zmian kierunku przepływu prądu, aby wysłać jedną wiadomość, a zmiany kierunku przepływu prądu niezależnie od zmian natężenia, aby wysłać inną wiadomość. Jeśli założymy, że prądy różnią się równomiernie jeden od drugiego, możemy przedstawić cztery różne warunki przepływu prądu, za pomocą których dwa komunikaty są przenoszone przez jeden obwód jednocześnie jako +3, +1, -1, -3. Interpretacja tych po stronie odbiorczej pokazano w tabeli I.

Rysunek II-3 pokazuje, w jaki sposób kropki, myślniki i spacje dwóch równoczesnych, niezależnych komunikatów mogą być reprezentowane przez kolejne cztery różne wartości prądu.

Oczywiście, ile informacji można przesłać przez obwód zależy nie tylko od tego, jak szybko można przesyłać kolejne symbole (kolejne wartości prądu) przez obwód, ale także od liczby różnych symboli (różnych wartości prądu), które można wybrać spośród . Jeśli mamy jako symbole tylko dwa prądy +1 lub 0 lub, co jest równie skuteczne, dwa prądy +1 i - 1, możemy przekazać odbiornikowi tylko jedną z dwóch możliwości jednocześnie. Widzieliśmy jednak powyżej, że jeśli możemy wybrać jedną z czterech bieżących wartości (dowolnego z czterech symboli) jednocześnie, takich jak +3 lub + 1 lub - 1 lub - 3, możemy przekazać za pomocą te bieżące wartości (symbole) stanowią dwie niezależne informacje: czy w wiadomości 1 oznacza 0, czy 1, a w wiadomości 2 oznacza 0, czy 1. Zatem dla danej szybkości wysyłania kolejnych symboli: zastosowanie czterech bieżących wartości pozwala nam wysłać dwie niezależne wiadomości, każda tak szybko, jak dwie bieżące wartości pozwalają nam wysłać jedną wiadomość. Możemy wysłać dwa razy więcej listów na minutę, używając czterech bieżących wartości, niż moglibyśmy użyć dwóch bieżących wartości.

A ten podręcznik nie zakłada żadnej wstępnej wiedzy z zakresu fizyki lub elektrotechniki, więc wydaje się mało prawdopodobne, aby czytelnicy byli w stanie odróżnić sygnał od prądu elektrycznego - zwłaszcza biorąc pod uwagę fakt, że autor wydaje się stale sugerować, że są tacy sami ( lub w żaden wyraźny sposób nie rozdziela tych dwóch osób bez takiego pochodzenia).

Wyjaśnienie fizyki mówi, że falowody (w tym wolna przestrzeń) mają tryby ortogonalne dla dwóch kierunków propagacji. Oznacza to, że dwa sygnały poruszające się w przeciwnych kierunkach nie będą zakłócać. (To nie jest przybliżenie, nie będzie żadnych zakłóceń).

Urządzeniem, które oddziela sygnał „przesłany” i „odebrany” jest cyrkulator . Istnieje również w domenie optycznej i można go wykorzystać do realizacji komunikacji dupleksowej za pomocą pojedynczego światłowodu. W domenie RF można go zastosować do wdrożenia separacji sygnałów nadawczych i odbiorczych za pomocą pojedynczej anteny (w tym samym czasie i oczywiście na tej samej częstotliwości). W praktyce często używa się różnych częstotliwości do nadawania i odbierania, głównie z przyczyn technicznych. Cyrkulator nie ma doskonałej izolacji, a separacja nie działa tak dobrze w przypadku bardzo słabych odbieranych sygnałów. Ale gdyby ktoś miał idealne urządzenie cyrkulacyjne, układ działałby.

W starym analogowym systemie telefonicznym istniała tylko jedna para przewodów, ale można było jednocześnie mówić i słyszeć.

TL / DR: Bardzo elementarnym wyjaśnieniem jest to, że w przewodzie jest napięcie i prąd, i które można wykorzystać do przenoszenia oddzielnych informacji w dwóch kierunkach. Rozważ następujące:

Po jednej stronie drutu znajduje się kontrolowane źródło napięcia, a przekazywaną informacją jest napięcie chwilowe. Po drugiej stronie drutu znajduje się kontrolowane źródło prądu (lub lepiej „zlew”). Przekazywaną tutaj informacją jest prąd chwilowy. Oczywiście stacja 1 (ta ze źródłem napięcia) może odczytać sygnał ze źródła 2, po prostu mierząc prąd przez drut. Stacja 2 może również odbierać sygnał ze stacji 1 poprzez pomiar napięcia na zaciskach swojego źródła prądu. Dowodzi to, że możesz przesyłać informacje w dwóch kierunkach jednocześnie za pomocą jednej pary przewodów. A jeśli masz wątpliwości, że podłączenie źródła prądu / zlewu do źródła napięcia może być niemożliwe. To jest całkowicie możliwe,

EDYCJA: Istnieje również elementarne wyjaśnienie fal: Fala wolnej przestrzeni ma oscylujące pole elektryczne i magnetyczne (E i H). Są one zorientowane pod kątem 90 ° w przestrzeni i mają czasowe przesunięcie fazowe o 90 °. Wynosi + 90 ° dla kierunku do przodu i -90 ° dla kierunku propagacji do tyłu (może być odwrotnie w zależności od wyboru układu współrzędnych lub znaku fazy). Również stosunek amplitudy pola magnetycznego i elektrycznego jest ustalony na impedancję falową ośrodka (377 Ω dla próżni). Jeśli teraz mamy falę propagacyjną do tyłu i do przodu, będziemy mieli superpozycję pól elektrycznych i magnetycznych wszędzie w przestrzeni i czasie. Możliwe jest jednak idealne oddzielenie obu fal. Mówiąc wprost: pola elektryczne dodają się, a pola magnetyczne odejmują (ze względu na całkowite przesunięcie fazowe o 180 °). Ponieważ amplitudy pola E i H każdego komponentu mają stały stosunek, możemy zastąpić pole H zamiast pola E (lub odwrotnie) i rozwiązać dwie amplitudy pola E przedniej i tylnej fali propagacyjnej. To pokazuje, że możliwe jest idealne rozdzielenie dwóch kierunków propagacji.

A bardzo abstrakcyjne wyjaśnienie fizyki kryjące się za tym jest - jak pisałem wcześniej - że tryby odpowiadające dwóm kierunkom propagacji są zawsze ortogonalne, a sygnały nie zakłócają.

w tym sensie, że dwa sygnały telegraficzne (innymi słowy, dwa prądy elektryczne) mogą podróżować w przeciwnych kierunkach na tym samym przewodzie, w tym samym czasie, bez zakłócania się wzajemnie

$0~V$$0~A$

Jeśli dwie fale prądowe przemieszczają się w przeciwnym kierunku, fale nie mają problemów z przejściem przez siebie, podobnie jak dwie fale dźwiękowe mogą podróżować w przeciwnych kierunkach w tym samym medium.

(Tutaj niebieski przesuwa się w lewo, zielony w prawo, a czerwona fala jest ich superpozycją. Czerwona fala to rozkład prądu / napięcia mierzony w przewodzie w czasie).

$x^2$$x^3$$U(x, t)$$I(x,t)$ w obudowie telegraficznej.

$L, C, G$$R$$x$$t$

$U$$I$$U_1(x,t)$$U_2(x,t)$

Uwaga dodatkowa na temat DC:

Posiadanie dwóch prądów w przeciwnych kierunkach anulowałoby ich wkłady i nie powodowało żadnego prądu. Alternatywnie możesz przekonać się, że prąd stały (DC) nie może płynąć jednocześnie w obu kierunkach, po prostu według prawa Ohma :

$R$$U = \varphi_2 - \varphi_1$$I = \frac{U}{R}$ płynąć. Prąd (składający się z przemieszczania ładunków dodatnich) przesuwa się od potencjału bardziej dodatniego do potencjału bardziej ujemnego.

Jeśli wyrównamy oba potencjały, nie będzie różnicy, a prąd wyniesie zero.

Jedynym sposobem na uzyskanie prądu na obu końcach jest posiadanie źródła na środku, co nie jest naprawdę interesujące.

Jest twój problem: sygnały telegraficzne nie są prądami elektrycznymi. (Równie dobrze moglibyśmy powiedzieć, że zamiast tego sygnały telegraficzne są napięciem.) Który jest poprawny? Ani.

Aby rozwiązać ten problem, porzuć elektronikę i zamiast tego cofnij się do fizyki. W rzeczywistości sygnały telegraficzne (a nawet wszystkie sygnały elektryczne na całym świecie) są w rzeczywistości energią elektryczną; to samo co fale świetlne i radiowe. Sygnały to zmiany , a zmieniający się prąd wiąże się z napięciem, tak samo jak zmiana napięcia z udziałem prądu. Sygnały to waty, a nie tylko amper i nie tylko wolty.

Energia sygnału zachowuje się inaczej niż prądy w obwodach. Podczas gdy energia przepływa przez obwód, zamiast tego wzmacniacze lub przepływ ładowania nie. Ładunki po prostu obracają się przez pętlę jako całość, lub być może poruszają się lekko tam iz powrotem, ale prąd nie leci do przodu z prędkością światła. Coś jednak leci z prędkością światła. Mierzymy go i omawiamy w kategoriach watów lub „mocy”. Wzmacniacze nie latają szybko, wzmacniacze są różne, wzmacniacze to powolne ruchy „medium”; morze ładowania znajdujące się w każdym przewodzie. Fale kontra średnie. Trochę jak fale dźwiękowe a wiatr. Prąd elektryczny jest jak wiatr, a sygnały jak fale dźwiękowe. (I oczywiście fale dźwiękowe to wiatr tam iz powrotem! Powietrze porusza się, podczas gdy fale rozchodzą się do przodu.)

Jak dwa niezależne sygnały mogą przepływać przez obwód elektryczny? Najpierw zadaj sobie pytanie, w jaki sposób dwie niezależne fale dźwiękowe mogą przechodzić przez ten sam region powietrza. A na stawie rzuć dwoma kamykami i zadaj sobie pytanie, w jaki sposób dwa wzory fal byków przechodzą między sobą bez interakcji. Dlaczego jedna wiązka laserowa nie blokuje drugiej za każdym razem, gdy się krzyżują? Jest to po prostu coś, co wszystkie fale mogą zrobić, jeśli ośrodek jest liniowy. W układzie liniowym fale mogą dodawać, a następnie odejmować ponownie, dzięki czemu krzyżują się bez interakcji. Działa dla światła wewnątrz światłowodu. Działa na dźwięk wewnątrz rurki organowej. Działa dla kabla koncentrycznego z impulsami idącymi w przeciwnych kierunkach i działa dla sygnałów telegraficznych propagujących się z prędkością światła przez jedną parę, pojedynczy obwód.

Odpowiedź na twoje pytanie obejmuje rozdział dotyczący fal w twojej książce fizyki. Odpowiedź na pytanie dotyczące poszczególnych obwodów otwiera całą fascynującą dziedzinę elektroniki: odbicia kabli i fale stojące na drutach.

Z drugiej strony dwa prądy stałe nie mogą zajmować tego samego obwodu, ponieważ tracą swoją tożsamość, łącząc się, tworząc prąd sumujący. (Nie zapominaj, że każdy obwód jest cewką jednoobrotową. Podobnie dwa różne napięcia nie mogą zajmować tego samego kondensatora! W obu przypadkach łączą się i nie można ich ponownie odjąć.) Dwa prądy stałe mogą zajmować pojedynczy drut, ilekroć ten drut jest wspólną sekcją dwóch oddzielnych obwodów. Ale robią to, sumując się, tworząc trzeci prąd w tej wspólnej sekcji. (Na przykład mogą odjąć prąd zerowy w tej sekcji, jeśli są równe i przeciwne. Jeden elektron nie może faktycznie płynąć w dwóch kierunkach jednocześnie).

Jednocześnie jednak dwie całkowicie niezależne fale energii (sygnały) mogą rozprzestrzeniać się w jednym obwodzie. W JAKI SPOSÓB? Obejmuje zarówno E, jak i M, i to zawiera tajemnicę: aby to zrozumieć, musimy spojrzeć na oba przewody długiej pary i musimy uwzględnić zarówno napięcie, jak i prąd. Odpowiedź na twoje pytanie nie jest możliwa, dopóki koncentrujemy się na pojedynczych przewodach i samych prądach, ignorując dwa przewody i napięcie na nich.

W pojedynczym obwodzie prąd jest zamkniętym kołem, podobnie jak koło zamachowe. Nie zaczyna się w jednym miejscu i nie przepływa do drugiego (zamiast tego idzie w prawo, w prawo, a może w lewo, podobnie jak pasek napędowy.) Prąd w obwodzie jest jak wirowane koło zamachowe, zamknięta pętla. Ale coś na pewno idzie w jedną stronę, prawda? Ilekroć akumulator zapala żarówkę, coś musi przejść z akumulatora do żarówki i nie wracać z powrotem do akumulatora. To coś nie jest aktualne. Zamiast tego jest to energia EM, gdzie przepływ energii mierzony jest w watach; woltów razy wzmacniacze. W obwodzie latarki moc jest szybkim przepływem w jedną stronę z akumulatora do żarówki. Ale prąd jest bardzo wolnyprzepływem kołowym. Ponownie „sygnał” przechodzący z akumulatora do żarówki składa się z energii EM, a nie z amperów i elektronów.

Oto początek twojej odpowiedzi: w jednym obwodzie skąd możemy wiedzieć, w którym kierunku płynie energia elektryczna ? Proste: spójrz na wartość mocy. W szczególności: pomnóż napięcie między przewodami przez wzmacniacze przez nie. Jeśli wynik jest dodatni, energia płynie w jednym kierunku, a jeśli jest ujemna, płynie w drugim. Za pomocą latarki podłącz swój woltomierz i amperomierz, aby dawały dodatnią moc, gdy je pomnożymy. Następnie, gdy wyjmiesz żarówkę i zamiast tego zainstalujesz ładowarkę, prąd cofa się, więc mamy energię przepływającą do tyłu do akumulatora. (Ten pomysł jest krytyczny w przypadku prądu przemiennego, w którym jeśli fale V i I są zsynchronizowane, energia przepływa nieprzerwanie do przodu, ale jeśli V i I mają 180 stopni, energia przepływa wstecz.)

Tak więc na długim kablu, z impulsem elektrycznym o dodatniej mocy, puls zbliża się wzdłuż lewej, a jeśli moc była ujemna, puls idzie w prawo. Jeśli nagle podłączymy i odłączymy akumulator latarki, wystrzelimy falę energii wzdłuż dwóch przewodów. Podróżuje z prędkością światła i zostaje pochłonięty przez zapaloną żarówkę latarki. Jeśli pozostawimy akumulator stale podłączony, fala energii nadal przepływa do żarówki, nawet jeśli nie ma żadnych fal. To pierwsza koncepcja w podstawowej inżynierii fal: propagacja energii elektrycznej w obwodach ... i idea, że ​​„DC” to tak naprawdę „AC” przy bardzo niskiej częstotliwości.

Wracając do początku: jak dwa impulsy sygnałowe mogą latać w przeciwnych kierunkach wzdłuż tej samej pary przewodów? (Należy pamiętać, że musi to być para przewodów wraz z woltami. Nie może to być pojedynczy drut). Może się to zdarzyć, jeśli jeden z impulsów ma moc dodatnią i idzie w lewo, podczas gdy drugi impuls ma moc ujemną i idzie w prawo. Jeden impuls może składać się z dodatnich woltów i dodatnich wzmacniaczy, podczas gdy drugi impuls jest wytwarzany z ujemnych woltów i dodatnich wzmacniaczy. Oba impulsy są falami elektromagnetycznymi.

PS

Aha, widzę inne podejście! (Jeśli chcesz, zignoruj ​​to, bo to jest długie.) Załóżmy, że mamy dwa oddzielne obwody, dwie latarki, ale potem łączymy ze sobą jeden krótki odcinek drutu z każdego? Oba obwody mają jeden wspólny kawałek drutu. Czy oni wchodzą w interakcje? Nie, ponieważ wewnątrz wspólnego drutu prądy po prostu dodają i odejmują ponownie. Każdy akumulator świeci niezależnie własną żarówką, ponieważ każda pętla obwodu ma swoje własne napięcie akumulatora i własny prąd pętli. Jednak w tym wspólnym drucie wydaje się, że płyną dwa różne prądy elektryczne! Nie są tak naprawdę, ponieważ jeden „prąd obwodu” to prąd w jednej całej pętli, w tym w jednej baterii, żarówce i całym zamkniętym pierścieniu przewodników. W tym połączonym drucie dwa prądy są dodawane na jednym końcu drutu, następnie odejmuje ponownie na drugim. Dwie fale energii w każdym obwodzie pozostają niezależne, mimo że prądy w ich wspólnym przewodzie mogą się sumować i odejmować.

To pokazuje nam, że odpowiedź na twoje pierwotne pytanie nie może obejmować jednego drutu. Można na nie odpowiedzieć tylko poprzez wycofanie się i szersze spojrzenie; poprzez uwzględnienie napięcia na dwóch przewodach.

Pokazuje to również, jak działa „liniowy” w porównaniu z „nieliniowym”. We wspólnym przewodzie na jednym końcu oba prądy zostały połączone poprzez zsumowanie. Ale potem doskonale odejmują ponownie na drugim końcu. Dzięki temu obie pętle pozostają niezależne. Ale co, jeśli tak się nie stanie, a zamiast tego prądy w jednym przewodzie nie były prostą kombinacją sum? Aha, to byłoby „NIELINIOWE”. W takim przypadku nie można ich oddzielić od razu po połączeniu. „Sumowanie razem” na jednym końcu drutu nie byłoby idealnie równe „odejmowaniu od siebie” na drugim końcu, w takim przypadku dwa oddzielne obwody zaczęłyby oddziaływać. Jedna bateria zacznie delikatnie zapalać drugą żarówkę. Sygnały dwóch obwodów naprawdę by się ze sobą zmieszały.

PPPPS

Tego rodzaju pytanie ma długą historię, a popularna książka na ten temat to THE MAXWELLIANS autorstwa BJ Hunta. Niesławny Oliver Heaviside zorientował się, że sygnały telegraficzne są w rzeczywistości falami elektromagnetycznymi, ale potem został prawie stłumiony przez Williama Preece'a, szefa brytyjskiego rządowego biura telegraficznego, który „wiedział”, że kropki i kreski to po prostu prądy, kropka, koniec historii i nie zadawaj pytań, bo WH Preece będzie Ci przykro! :) Heaviside wykorzystał swoją nową teorię fal elektromagnetycznych do rozwiązania ogromnego problemu telegraficznego: w przypadku wszelkich sygnałów przemieszczających się wzdłuż linii telegraficznych 100 km, kropki albo znikałyby, albo „falowały”, a dla linii telefonicznych transmisja na duże odległości była całkowicie zniekształcona i niemożliwy. (Stwierdzono, że problemem jest rozproszenie fali lub „ćwierkanie”, w którym niskie częstotliwości przemieszczają się szybciej niż wysokie.) Heaviside ” „równanie telegraficzne” i jego „cewki ładujące” naprawiły to, pozwalając telegrafii stać się szerokopasmowym, nawet na dużych odległościach. Samodzielnie stworzył telefon na duże odległości. Ale Preece szybko powstrzymał tę herezję, wykorzystując swą władzę polityczną do rozpoczęcia w prasie kampanii anty-Heaviside o złych ustach oraz szeptanej kampanii wśród inżynierów. Następnie w USA Pupin of Columbia udał, że wynalazł cewki ładujące Heaviside, opatentował je i zarabiał miliony przez telefon Bell, podczas gdy Heaviside pozostał prawie bez grosza, zyskując sławę dopiero po swojej śmierci. (Heh, historia Tesli / Marconiego na długo przed Teslą i Marconim. Pupin odegrał nawet dużą rolę w upadku Tesli!) Więc teraz rozumiesz, dlaczego jestem zakochany w historii fal telegraficznych. Obsesję Nawet mnie nie zaczynaj! Ups, za późno. :)

Andreas H wspomniał o cyrkulatorze dla falowodów. W telefonach analogowych zadanie to wykonuje niedoskonały obwód hybrydowy zwany cewką indukcyjną antysidetonową (ASTIC). Idealna cewka hybrydowa nadawałaby i odbierała mowę jednocześnie i osobno, tzn. Sygnał z nadajnika przemieszczałby się przewodami do odbiornika na drugim końcu, a sygnał z odległego nadajnika podróżowałby do odbiornika na tej samej parze przewodów. Wcześnie uświadomiono sobie, że ludzie muszą słyszeć, jak mówią, więc ASTIC pozwala części sygnału z lokalnego nadajnika przejść do lokalnego odbiornika.

W obrębie lokalnej analogowej strefy wymiany obwód składałby się z dwóch przewodów od jednego telefonu, poprzez przekaźniki w centrali do drugiego telefonu. Gdy zaczniesz podróżować między centralami, sygnał zostanie rozdzielony przez cewkę hybrydową na centrali, a mowa w jednym kierunku będzie podróżować w innym obwodzie niż mowa w drugim kierunku (obwód łączący 4 przewody). Umożliwiło to wzmocnienie mowy, ponieważ wzmacniacze są jednokierunkowe (tylko w jedną stronę). Przy zdalnej wymianie dwie oddzielne ścieżki zostaną zrekombinowane przez cewkę hybrydową, a ostatnia noga połączenia będzie na parze drutów.

Mowa na telefonach analogowych i centralach wynosiła od 300 Hz do 3400 Hz, więc są to fale elektromagnetyczne niskiej częstotliwości.

Jeśli jednak przenosisz moc, zarówno prąd przemienny, jak i stały, nie mamy różnych prądów płynących w tym samym przewodzie. Na przykład w konkretnym stanie firmy dostarczające energię są zobowiązane do dostarczenia procentu „zielonej” energii, ale nie mają wystarczających zasobów „zielonej” produkcji, więc kupują energię spoza stanu. Jednocześnie sprzedają nadwyżkę energii innej niż zielona poza stanem. Jeśli kupują i sprzedają energię za pośrednictwem tego samego interkonektu (przewodów), wówczas nie ma dwóch konkurujących przepływów mocy poruszających się w przeciwnych kierunkach na tym samym przewodzie. Jeżeli państwo A kupuje 500 MW mocy od państwa B, a państwo B kupuje 400 MW mocy od państwa A, wówczas przepływ wynosi 100 MW z państwa B do państwa A. Rachunkowość może powiedzieć, że 500 MW i 400 MW, ale rzeczywistość elektryczna wynosi 100 MW.

Wtrącają się.

Sygnały elektryczne przemieszczają się wzdłuż drutów jak fale na wodzie. a kiedy dwie fale się spotkają, stajesz się niesprawny .

Ponieważ jednak przewody są liniowe, interferencja przyjmuje postać dodawania, a zatem nie jest destrukcyjna dla informacji, a zatem jeśli wiesz, co to jest jeden z sygnałów, możesz odszukać drugi sygnał przez odjęcie.

Linie telefoniczne używają (używane?) Obwodu zwanego a hybrydą, który izoluje sygnały przychodzące i wychodzące, umożliwiając, aby pojedynczy obwód miedziowy przenosił sygnały głosowe w obu kierunkach.

Telegraf prawdopodobnie użył czegoś podobnego, gdy nadawca odjął własny sygnał od tego, co widzi na linii, pozwalając mu określić, co nadchodziło z drugiego końca jednocześnie z transmisją własnego sygnału.

Napisałeś:

Jak to możliwe, że dwa prądy elektryczne mogą przemieszczać się w przeciwnych kierunkach na tym samym przewodzie w tym samym czasie, nie zakłócając się wzajemnie?

ale oryginalny tekst mówi:

dwa sygnały telegraficzne mogą podróżować w tym samym przewodzie w przeciwnych kierunkach jednocześnie, nie zakłócając się wzajemnie

Oto sprzeczność: sygnał telegraficzny i prąd elektryczny to nie to samo. Prąd elektryczny jest superpozycją liniową fal wprawianych w ruch przez przetworniki na każdym końcu. Prąd w jednej chwili w jednym punkcie linii może mieć tylko jedną wartość, ale możemy obliczyć tę wartość, obliczając udział fal z sygnałów nałożonych na każdy koniec linii i sumując je razem.

Jako prostszy, ale możliwy do zaobserwowania system, rozważ odtwarzanie stereo w pomieszczeniu. Jeden głośnik nie zmienia sposobu rozchodzenia się fal ciśnienia z drugiego głośnika. Gradient ciśnienia netto w dowolnym punkcie przestrzeni i chwili jest wynikiem dodania fal ciśnienia z każdego głośnika.

Chociaż wielkości fizyczne, takie jak prąd lub ciśnienie, mogą mieć tylko jedną wartość, jeśli wiemy, że na te wielkości wpływa addytywna kombinacja przyczyn, zasada liniowej superpozycji pozwala na rozbicie systemu na mniejsze części, które można rozpatrywać osobno: w tym obudowę stacji telegraficznej na każdym końcu linii i generowane przez nią fale, które rozchodzą się wzdłuż linii.

Sygnały składają się z fal. Fale mijają się, a po przejściu pozostają niezmienione. Fale elektromagnetyczne. Fale na morzu również się mijają (chociaż czasem mają efekty, w które nie wchodzę). „Ingerować” było złym wyborem słowa autora. Nikt tak naprawdę nie jest w stanie powiedzieć dlaczego. Ale już instynktownie wiesz, że fale mogą się przenikać. Pomyśl tylko o świetle świecącym jednocześnie przez okno i wpadającym przez okno. To nie wydaje się kłopotliwe, prawda?

W swoim pytaniu używasz słowa „aktualny”. Prądy to inna sprawa. Prąd w przewodzie jest zasadniczo definiowany jako przepływ ładunku przez punkt. Byłby to przepływ netto. Dlatego nie ma sensu rozmawiać o przepływających prądach.

Staram się unikać mówienia o bardziej zaawansowanych efektach linii przesyłowych, takich jak pojemność i indukcyjność, ponieważ obawiam się, że jeszcze bardziej zabrudzi to wody. Najważniejsze jest to, że sygnały mogą się przenosić, a podczas przejścia, w miejscu przejścia, wpływają na siebie. Ale po przejściu trwają tak, jakby przejście nigdy się nie wydarzyło. Pomyśl tylko o świetle przechodzącym w obie strony przez okno.

To nie jest prąd, ale SIGNAL podróżuje w dowolnym kierunku lub we wszystkich kierunkach. To dlatego słuchawka telefonu nie musi przerywać odbieranego dźwięku podczas mówienia, i jest to dla nas bardziej znane niż protokoły telegraficzne.

Jest to trochę sztuczki, zwanej „hybrydą”, która przedstawia sygnał do twojego ucha, który ma głównie sygnał z odległego telefonu i tworzy sygnał (modulację prądu) zgodnie z twoim głosem zastosowanym do mikrofonu. To, czego słyszysz, nie jest „prądem w przewodzie”, który jest równie modulowany przez dwa głosy, to 90% odległego głosu, który słyszysz, i tylko 10% własnego. Podobna hybryda na drugim końcu połączenia anuluje główną część jego głosu, dzięki czemu Twój głos jest dobrze słyszalny w tym odbiorniku telefonu.

Hybryda to obwód dodający sygnał, który ma dostęp zarówno do twojego głosu, jak i do kombinacji dwóch głosów (na linii) i łączy je, aby wzmocnić przekaz z dystansu. Nic w tym schemacie nie jest dostępne dla biura telegraficznego, które może również działać jako stacja odbiorcza, nawet gdy transmituje.

NIE jest łatwo dostępny dla nadajnika bezprzewodowego (niecyfrowego), który zwykle miałby przełącznik przerywający „Naciśnij i mów”. Nasze telefony komórkowe wysyłające cyfrowe pakiety robią dużo zakłóceń, tak szybko, że rzadko nam to przeszkadza, ponieważ ta funkcja hybrydowa źle współdziała z odbiornikiem, który przeciąża się podczas transmisji.

Twoja analogia jest zepsuta. Nie myśl o pasie samochodów, chyba że myślisz o samochodach jako zderzakach razem wziętych.

Rzeczywista ogólna średnia prędkość elektronów poruszających się po drucie jest dość wolna. Prędkość znoszenia elektronów w drucie wynosi zwykle kilka mikrometrów na sekundę, wcale nie jest szybka.

To, co rozprzestrzenia się przez drut, przemieszcza się od elektronu do elektronu, od źródła do miejsca przeznaczenia. Proces ten zachodzi bardzo szybko, prawie z prędkością światła. W analogii autostrady byłoby to analogiczne do uderzenia w pierwszy samochód, a każdy samochód zderzał się z tym przed nim. Mimo że każdy samochód porusza się powoli, fala może się rozprzestrzeniać przez łańcuch, pod warunkiem, że uderzysz go wystarczająco mocno.

Wiele fal dźwiękowych może oczywiście przemieszczać się w powietrzu w wielu kierunkach jednocześnie. Jednak gdy coś wykrzyczysz, pojedyncza cząsteczka niekoniecznie przemieszcza się bezpośrednio z ust do ucha słuchacza. Zamiast tego odbijanie się między cząsteczkami w powietrzu jest tym, co przenosi dźwięk. To samo dotyczy zasadniczo sygnałów elektrycznych.

Rozważ następującą sytuację:

Załóżmy, że mamy jedną parę przewodów z kontrolowanym źródłem napięcia na jednym końcu i sterowanym odbiornikiem prądu na drugim końcu. Ponieważ oba końce mogą mierzyć sygnał drugiego końca (u źródła napięcia możemy mierzyć prąd, a u źródła prądu możemy mierzyć napięcie), możemy przesyłać informacje w obu kierunkach. Nie jest zaangażowane multipleksowanie częstotliwości ani czasu. I nie ma interferencji i nie musimy odwoływać się do teorii fal.

Więcej szczegółów znajduje się w mojej odpowiedzi na temat Physics SE .

Kabel antenowy do anteny satelitarnej przenosi prądy w dwóch kierunkach - tuner dostarcza sygnał prądu stałego o wartości 18 woltów, który zasila LNB w punkcie centralnym anteny, a jednocześnie LNB wysyła sygnał 4-12 GHz z powrotem do tunera, tym samym drutem.

Oba są prądami elektrycznymi, ale jeden to prąd stały i jest płaski, drugi to częstotliwość radiowa i jest różna.

Jest tak, ponieważ każda fala może się przenikać. Wystąpią zakłócenia, ale to nie powstrzyma fal.

To jak pytanie, dlaczego dwie fale w stawie mogą się przepływać. Jeśli fale są całkowicie przeciwne, unicestwią się, inaczej osłabią się i będą kontynuować.

Wielu inżynierów i badaczy (w tym ja) zauważyło, że przewodniki metalowe mają liniowe zachowanie w odniesieniu do prądów elektrycznych i napięć. Jednak, podobnie jak w przypadku większości materiałów, zachowanie liniowe występuje tylko w pewnym zakresie. Wysoki poziom prądu spowoduje nieliniowe zachowanie. Przy dobrych przewodnikach, takich jak miedź, srebro i złoto, zakres liniowego zachowania jest dość duży. Metale te mają niską (ale nie zerową) odporność. (Jeśli przyjmiesz, że metale mają zerowy opór, skończysz z dziwnymi przewidywaniami, które nie pasują do rzeczywistości)

Przy niskiej gęstości prądu w metalu jest wiele wolnych przestrzeni, na które mogą się poruszać elektrony, i nie zderzają się one ze sobą ani nie utkną zbyt często. więc metal nie pochłania zbyt wiele energii, a zachowanie wydaje się liniowe (zderzaki są daleko od siebie)

Kiedy gęstość prądu w metalu staje się wystarczająco wysoka, wówczas prąd przenosi znaczną energię na metal, co zmienia jego oporność, a zachowanie stało się nieliniowe. Prostym przykładem jest zaczepienie cienkiego drutu (np. 28 gauge) na zaciskach dużego akumulatora samochodowego 12 V. Metal staje się gorący, w końcu topi się i przerywa obwód. Jest to BARDZO nieliniowe zachowanie. Ten drut prawdopodobnie przenosi około 50 amperów. (NIE próbuj tego samodzielnie - możesz latać wokół roztopionymi metalami, powodować pożary i poważne uszkodzenie oczu) Z drugiej strony, jeśli ustawię dwa sygnały na tym samym drucie (przed jego stopieniem) z 0,001 ampera każdy , zachowanie będzie dość liniowe.

Ten facet zastanawia się, czy jest bardziej egzystencjalny. Działa w zasadzie, ale nie tak, jak mówi. I z sygnałem, a nie prądem .

Heck, nawet w radiu, dwa nadajniki mogą blokować jednoczesne użycie . Posłuchaj tego o 1:25. To, że „Booooop” to oba samoloty potwierdzające „ich” zezwolenie na start, ale nadepnąć na siebie, aby co najmniej jeden nie był słyszany.

Jeśli korzystasz z systemu telegraficznego DC, ten sam problem. Jeśli albo klucz telegraficzny wciśnięty, spowoduje to zarówno sygnalizatory uaktywnić. Naprawdę nie jest możliwe wysyłanie sygnałów DC w przeciwnych kierunkach w domenie DC (z wyjątkiem stylu CSMA-CD dzięki uprzejmości oczekiwania na zakończenie pracy drugiej osoby i obawy przed uruchomieniem dwóch osób jednocześnie).

Wyobraź sobie jednak, czy stacja telegraficzna 1 transmituje prąd stały, a stacja telegraficzna 2 ma swój sygnalizator podłączony przez dławik blokujący prąd przemienny. Stacja 2 nadaje, włączając i wyłączając prąd przemienny o częstotliwości 1000 Hz, który słyszy tylko stacja 1, ponieważ jej sygnalizator ma kondensator odpowiedniej wielkości, który przepuszcza prąd przemienny o częstotliwości 1000 Hz, ale blokuje prąd stały.

Możesz rozszerzyć to na wiele częstotliwości prądu przemiennego, używając filtrów „pasmowoprzepustowych”, które przepuszczają tylko określoną częstotliwość. Zastanów się nad tonem bah-boo-BEEP, który wita straż pożarną w serialu telewizyjnym Chicago Fire . Ten program jest ogromnym hołdem dla publiczności z lat 70. o nazwie Emergency , geneza dźwięków. Emergency przedstawia system kierowania ogniem z lat 60. XX wieku, w którym zastosowano wiele częstotliwości właśnie w ten sposób.

Dwie stacje nadające jednocześnie tworzą po prostu akord na przewodzie. Częstotliwości należy dobierać mądrze, aby akordy nie kolidowały ze sobą.

Wszystkie stacje słyszą wszystkie sygnały. Po prostu ignorują „własną karmę dla psów”, tj. Sygnał, który transmitują.

Może stać się bardziej złożony, z modulowanymi falami nośnymi. W tym momencie mówimy o spektrum radiowym, ale na drutach .