Скорость распространения электромагнитных волн кабеле

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ В КАБЕЛЕ

Совокупность электрического и магнитного полей, распростра­няющихся вдоль линии с определенной скоростью, называют элек­тромагнитной волной. На всем пути, проходимом электромагнитной волной, энергия электрического поля Wэ равна энергии магнитного поля WM. Энергия магнитного поля может переходить в энергию электрического поля и наоборот. При передаче по цепи энергии вы­сокочастотных колебаний плотность тока увеличивается к поверхно­сти токопроводящей жилы кабеля, причем чем выше частота, тем сильнее эффект вытеснения тока на поверхность жилы. Электромаг­нитная энергия при передаче по цепи сосредоточивается в основном в изоляции, окружающей жилу, поэтому при передаче сигналов свя­зи по жилам кабеля носителем высокочастотной магнитной энергии являются не жилы кабелей, а окружающая их среда. Жилы кабеля лишь задают направление движения энергии. Благодаря жилам ка­беля электромагнитная энергия не рассеивается во все стороны, а движется вдоль линии.

Электромагнитная волна состоит из волны напряжения и волны тока. Между ними в любой точке цепи существует определенное со­отношение, зависящее от свойств цепи и имеющее размерность со­противления (ом), называемое волновым сопротивлением

Распространение электромагнитной энергии вдоль однородной кабельной линии с согласованными нагрузками характеризуется уравнениями:

где U0, I0 и Р0 — напряжение, ток и мощность в начале цепи; Ux, Ix и Px — напряжение, ток и мощность в любой точке цепи на рас­стоянии х от ее начала; γ — коэффициент распространения.

Между напряжением, током и мощностью в начале (0) и конце кабельной линии (l) существует следующая зависимость:

При согласованной нагрузке Zе

При несогласованной нагрузке (ZH), когда цепь изолирована на конце (ZH = ∞), или цепь замкнута накоротко (ZH = 0), электромаг­нитная энергия, дойдя до конца линии, полностью отразится и не будет воспринята приемником. В случае, когда цепь нагружена на любое сопротивление, отличное от Zc, за счет несогласованности появятся отраженные волны и лишь часть энергии поступит в при­емник.

Скорость распространения электромагнитных волн по кабелю определяется частотой тока и параметрами цепи. При передаче по кабельной цепи электромагнитная энергия уменьшается (затухает) по амплитуде и изменяется по фазе. Явление затухания обусловлено тепловыми потерями энергии в токопроводящих жилах, потерями в изоляции на диэлектрическую поляризацию, дипольными потерями, токами утечки и т. д.

Качество передачи по кабельным линиям связи и их электриче­ские свойства характеризуются первичными параметрами кабеля: активным сопротивлением токопроводящих жил R, индуктивностью L, емкостью С и проводимостью изоляции G, относимыми к единице длины. Эти параметры не зависят от напряжения и передаваемого тока, а зависят от конструкций кабеля и частоты используемого тока.

Волновое (характеристическое) сопротивление Z и коэффициент распространения γ являются вторичными параметрами линии, широ­ко используемыми для оценки эксплуатационно-технических качеств линии связи.

После несложной процедуры регистрации Вы сможете пользоваться всеми сервисами и создать свой веб-сайт.

Источник

Передача энергии по кабелю

Передача энергии вдоль кабеля или провода осуществляется электромагнитным полем, распространяющимся в их изоляции. Токопроводящие жилы кабелей и проводов служат направляющими электромагнитного поля. Выделим часть провода вместе с приемником замкнутой поверхностью (рис. 3-1). На основании уравнения (3-1) при условии, что р=0, можно написать:

Если объем V ограничен поверхностью S, то вектор dS должен быть направлен по нормали N, внешней к этой поверхности. Вектор dS _it направленный по нормали N _u равен dSi = — dS. Заменив в (3-10) dS на dS _u получим:

Приращение энергии электрического и магнитного полей в объеме V и поглощение энергии в приемнике и токопроводящих жилах проводов, расположенных в этом объеме, происходят за счет передачи электромагнитной энергии в область V сквозь ограничивающую ее поверхность S.

В частном случае, когда ток в цепи постоянный, энергия поля не изменяется во времени. Следовательно, первый член уравнения (3-11) (правой части) равен нулю, и мы имеем:

т. е. энергия, поглощаемая в цепи в форме тепла, равна энергии, передаваемой в область V через поверхность S ₁ . Энергия, выделяемая в кабеле или проводе в форме тепла, поступает в токопроводящую жилу сквозь поверхность жилы из окружающей ее изоляции. Имеем: H = i/2nr и E _t = iR/l, где l — длина провода; E _t — составляющая напряженности электрического поля по касательной к проводу радиусом r; l — сопротивление отрезка провода.

Нормальная составляющая вектора Умова — Пойнтинга

Таким образом, энергия, поступающая в провод сквозь его поверхность из окружающей среды в единицу времени,

На рис. 3-2 изображены направления линий напряженности электрического и магнитного полей около неизолированного провода. Линии напряженности электрического поля несколько изогнуты, так как вследствие наличия активного сопротивления самих проводов вектор E у поверхности провода имеет составляющую, направленную по касательной к ней поверхности, т. е. по направлению тока в проводе. Определив направление вектора Умова- Пойнтинга в разных точках поля, получим схему, изображенную на рис. 3-3. Поток электромагнитной энергии направлен в изоляции от генератора к приемнику и частично внутрь провода вследствие активного сопротивления провода. Изгиб линий напряженности электрического поля преувеличен. В действительности этот изгиб ничтожен, так как касательная составляющая вектора Е у поверхности провода весьма мала по сравнению с нормальной составляющей при постоянном токе. Так как энергия передается электромагнитным полем в изоляции, окружающей провод, то ее скорость должна равняться скорости движения электромагнитной волны в изоляции.

Скорость распространения электромагнитной энергии зависит от параметров кабеля и, частоты передаваемого тока:

Величина k связана с длиной волны:

т. е. k равно числу волн, укладывающихся на отрезке длиной 2π см, и поэтому называется волновым числом.

На рис. 3-4 приведена кривая скорости распространения электромагнитной энергии -по кабелю с жилами диаметром 1,2 мм. Как видно из формулы (3-15) и кривой на рис. 3-4, скорость распространения электромагнитной энергии возрастает с увеличением частоты. В области высоких частот, когда β = ω√ LC, скорость не зависит от частоты и определяется параметрами кабеля:

В вакууме (ε = μ=1) ρкорость распространения поля равняется скорости света (300000 км/сек), а скорость распространения электромагнитных волн по кабелю при высоких частотах достигает 200000 км/сек. Международной электротехнической комиссией величина отношения скоростей распространения в коаксиальных кабелях (отношение скорости распространения электрического сигнала в кабеле к скорости распространения сигнала в свободном воздушном пространстве) признана одной из основных характеристик. Для кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией это отношение должно быть больше или равно 0,65.

В технике радиочастотной связи для оценки явлений распространения электромагнитной энергии широко используют коэффициент укорочения длины волны ξ. Этот коэффициент характеризует степень уменьшения скорости распространения электромагнитной энергии в кабеле по сравнению со скоростью ее распространения в воздухе, т. е.

В кабелях со сплошной полиэтиленовой изоляцией (ε = 2,28, ξ = 1,51) θ, следовательно, скорость распространения энергии по такой линии в 1,51 раза меньше, чем в воздухе.

Источник

Задержка распространения сигнала в кабеле

Который час ищу конкретные цифры: коаксиальный кабель – сигнал проходит со скоростью , оптоволокно – , и т.д. Есть ли доступный ресурс в Интернете, где можно найти такие цифры?

Нам неизвестно о существовании ресурса, посвященного только скоростям распространения сигналов в различных средах – думается, практическое применение такого ресурса было бы слишком ограниченным. Скорее можно найти информацию по какому-либо конкретному типу среды – например, по коаксиальному кабелю – у производителя коаксиала, по волоконно-оптическому – у производителя волоконной оптики, и т.д. Приведенные вами величины мало похожи на правду, такие скорости низковаты. Если пересчитать их в м/с, мы получим соответственно 3.(3)·10 7 м/с и 10 8 м/с, что соответственно примерно в 30 и в 3 раза меньше скорости света в вакууме (2.9979·10 8 м/с).

Приведем ориентировочные цифры, полученные из каталогов различных производителей кабеля.

Для витой пары скорость распространения сигнала в среде кабеля (скорость распространения электромагнитной волны) составляет от 68 до 72% скорости света. Принято называть этот параметр NVP – Nominal Velocity of Propagation – номинальная скорость распространения сигнала. Если перевести скорость м/с в размерность нс/м, получится соответственно 4.9 нс/м и 4.6 нс/м.

Для коаксиальных кабелей скорость может варьироваться в более широких пределах в зависимости от типа кабеля. Обычные кабели, как правило, имеют скорость распространения порядка 60-70% от скорости света в вакууме, но известны образцы со скоростью до 90% от скорости света. В нс/м вы получите соответственно 5.6 и 3.7 нс/м. Ориентироваться лучше на первую цифру, так как высокоскоростные коаксиальные кабели существенно дороже обычных, а следовательно, менее распространены.

В оптическом волокне скорость света в кварцевом стекле может быть рассчитана через скорость света в вакууме и коэффициент преломления кварцевого стекла, из которого изготовлено ядро световода. Для кварцевых стекол коэффициент, как правило, составляет от 1.4 до 1.5 (ближе к 1.5), следовательно, скорость распространения сигнала будет от 2.1414·10 8 м/с до 1.9986·10 8 м/с, что эквивалентно 4.7 и 5.0 нс/м соответственно.

Источник

Пропускная способность и скорость распространения сигнала в локальной сети

Для витой пары характерна номинальная скорость распространения сигнала (NVP) в диапазоне от 68% до 72% от скорости света в вакууме для категорий 5e, 6 и 6A и до 80% для категорий 7/7A. Это означает, что скорость электромагнитной волны в среде кабеля витая пара составляет примерно 200 000 км/с (2·10 8 м/с). На практике отработана и коммерчески доступна технология 10G, дорабатывается оборудование для 25G и 40G на той же компонентной базе. Вероятно, будет освоена и пропускная способность 100G, однако пока это можно технически реализовать только через несколько параллельных каналов передачи.

Широко распространено представление, что в оптическом волокне свет распространяется с той же скоростью, что и в вакууме, но это не так. Показатель преломления кварцевого стекла

1.47, следовательно, световое излучение распространяется в кварце почти в полтора раза медленнее, чем в вакууме. В оптических волокнах скорость, с которой электромагнитная волна летит из точки А в точку В, примерно такая же, как в медной витой паре – те же 2·10 8 м/с.

Важно не путать скорость распространения сигнала с пропускной способностью. Последняя зависит от частоты несущей и частоты, с которой подаются цифровые сигналы. В оптике эти величины на порядки выше, чем в медной витой паре, поэтому пропускная способность оптического волокна существенно больше, особенно для одномодового волокна класса OS2 при широкополосной передаче в диапазоне, объединяющем одномодовые окна прозрачности. Резервы для уплотнения и роста пропускной способности в оптике велики, в то время как в меди уже сказываются физические ограничения, связанные с энергопотреблением и тепловыделением активного оборудования. Хотя сейчас 40- и 100-гигабитные решения подразумевают использование многоволоконных сегментов, представляется вполне реальной сверхвысокая пропускная способность по одноволоконному каналу. Такие эксперименты уже проводились японской корпорацией NTT и другими исследовательскими лабораториями.

Для твинаксиальных кабелей характерна номинальная скорость распространения сигнала порядка 66%, в этой среде скорость приближается к тем же 2·10 8 м/с. Пропускная способность твинаксиальных шнуров уже достигла 100G, но нужно учесть, что в них изначально используются параллельные каналы передачи.

В беспроводной технологии Wi-Fi при передаче электромагнитных волн через воздух скорость распространения сигнала почти не отличается от скорости света в вакууме – она приближается к 3·10 8 м/с, расхождение в десятитысячных долях. При этом пропускная способность Wi-Fi – самая ограниченная среди рассмотренных сред, и перспективы ее расширения туманны, поскольку она используется совместно.

Источник

Скорость распространения сигнала (импульса) в проводах.

Проводимость (железо, золото) — не о том, проводимость — это про сопротивление. Сопротивление — это когда электроны бьются головой об атомы кристаллической решётки и часть их энергии уходит в эту самую решётку в виде тепла. Резисторы, короче.

Скорость света — тоже не о том, т.к. скорость света (с отклонениями в разных средах) — это про электромагнитное поле, а ток в проводах — вроде как не электромагнитное поле, а поток перепрыгивающих электронов в сторону их дефицита — то есть, условно говоря, забирают электроны с одного конца проводника и туда начинают ломиться другие с того конца, где их больше (если они там есть). Это ток. Сами электроны в проводах ползут медленно, типа 1мм в секунду, важна передача энергии — т.е. как быстро нехватка электронов на одном конце железки скажется на величине заряда другого конца железки.

Вот такой вопрос. Вбрасывал на разных форумах, везде вызывает бурление говн. Народ пишет, что скорость передачи сигнала по проводам = скорости электромагнитного поля в данном металле.

В медном проводе сигнал передаётся со скоростью около 2/3 скорости света (около 2·10⁸ м/с).

Электроны «прывут» по проводам примерно с 0.1 c. Сигнал же — с c, ибо это именно эл-маг-волна.

как только ты чуть чуть сдвинешь электроны в куске провода, возникшее вследствие нарушения нейтральности электрическое поле тут же сдвинет оставшиеся что бы нейтральность восстановилась. а поле распространяется со скоростью света.

откуда такая цифра? J/e=Snv, пусть J=1A. концентрация свободных электронов в меди n=8.92[г*см^-3]/(63.5[aem]*1.66e-24[г])=8.46e+22[cm^-3], площадь провода S=pi*0.1**2=0.03. v=J/e/n/S=0.002[см/с]

Единственное, что я по этому поводу знаю — надо различать фазовую скорость, и групповую, ибо лишь одна из них может в действительности переносить информацию.

// coaxial velocity factor

Из задворок межушного нервного узла. За верность не ручаюсь. В любом случае электроны — слоупоки, но это не относится к фронту сигнала.

а ток в проводах — вроде как не электромагнитное поле,

именно электромагнитное. Так как прыгающие электроны создают волну, которая потом инициирует другие электроны. Сами электроны движутся со скоростью около 7см/сек, емнип.

Ладно, убедили — всё-таки электромагнитное поле. Электроны-то друг с другом электромагнетизмом связаны )

А электромагнитное поле в вакууме как работает? Ну радиосвязь между землёй и луной, свет тот же.

А электромагнитное поле в вакууме как работает?

дык в этом-то и фишка что для волн нужна среда. Отсюда и выстраивается общая теория относительности и то что мы называем вакуум это не совсем вакуум.

отнюдь нет. скорость около нескольких миллиметров в секунду.

Например, для куска железа длины 1 м и с напряжением 1 вольт будет около 0.5 мм/с

Сами электроны движутся со скоростью около 7см/сек, емнип.

это зависит от величины удельного сопротивления и приложенного электрического поля

дык в этом-то и фишка что для волн нужна среда.

векторное поле сгодится?

Электроны «прывут» по проводам примерно с 0.1 c

Это около 5 КэВ где-то.Отличные провода, бро!

Источник