rücklaufender Strom - wo fließt er lang?

[dan (Gast)]

Guten Morgen,

eine vielleicht blöd klingende Frage, aber es interessiert mich und ich 
finde keine zufriedenstellende Antwort.

Angenommen, ich habe eine Platine wie diese hier (der Einfachheit mal 
nur mit einem OP bestückt). Signal- und Spannungsversorgung auf der 
einen Seite, Massefläche auf der anderen Seite. Was ich weiß ist, dass 
der rücklaufende Strom versucht, quasi "direkt gegenüber" der 
Spannungsleiterbahn zurückzufließen, sofern dort keine Hinternisse durch 
kreuzende Leiterbahnen etc. sind.

Irgendwie muss der rücklaufende Strom dann ja aber doch zum 
Masseanschluss der Platine kommen - wie läuft das? So, wie ich es im 
angehängten Bild gezeichnet habe (also zuerst parallel zur 
Spannungsversorgung vom IC zurück zum Spannungsversorgungseingang und 
von dort auf direktem Weg zum Masseanschluss)?

Danke!
Dan

[Vorname N. (logout-name)]

Du musst da zwei Situationen unterscheiden:
1. Tiefe Frequenzen: Der Strom wird (bei einer Massefläche) den 
kürzesten Weg wählen. Damit ist der Widerstand am kleinsten.
2. Hohe Frequenzen: Der Strom wird direkt unterhalb der hinführenden 
Leitung zurückfliessen. Damit ist der Widerstand für den Strom auch am 
kleinsten.

Denn der komplexe Widerstand beträgt setzt sich aus dem ohmschen 
Widerstand und der Leitungsinduktivität zusammen. Bei tiefen Frequenzen 
dominiert der ohmsche Widerstand. Um den klein zu halten muss der 
kürzeste Weg genommen werden, bei hohen Frequenzen beginnt

$$j \omega L$$

 dominant zu werden. Um diesen Anteil klein zu bekommen muss die 
Schleifenfläche welche durch den Strom aufgespannt wird klein gehalten 
werden (L wird kleiner). Dies wird erreicht indem der Strom nahe beim 
Hinleiter zurückfliesst.

[dan (Gast)]

Danke!
Da ich eigentlich nichts mit Signalen höherer Frequenzen zu tun habe, 
gilt da dann doch "kürzester Weg". Das hat zumindest schonmal der 
Theorie bei mir auf die Sprünge geholfen. Wenn bei HF die Rückführung 
dann also einen Umweg gehen muss, dann bildet dieser Umweg eine 
Schleife, die eine Induktivität zur Folge hat. Ich denke, dass habe ich 
verstanden.

Wenn ich aber nun doch eine HF-Schaltung hätte, wie gelangt der Strom 
dann wieder zurück zum Masseanschluss auf der Platine? Darüber muss der 
Strom ja letztendlich abfließen. Wenn er dem Hinweg des Stroms auf der 
Massefläche der Platine zurückfolgt, fließt er auf der Platine bis vor 
den Anschluss der Spannungsquelle. Dort kann ja nicht Schluss sein und 
der Strom muss weiter irgendwohin (-> Masseanschluss der 
Spannungsquelle).

Masse- und Spannungsversorgung sind ja auf dem Beispielbild, welches ich 
im ersten Beitrag angehängt habe, räumlich etwas voneinander getrennt. 
Vielleicht wird damit klar, wie ich meine Frage meine.

[Vorname N. (logout-name)]

Vorsicht wenn du sagst, dass du keine HF Schaltung hast. Jede digitale 
Schaltung muss (wenn man ein wenig auf EMV achtet) als HF Schaltung 
betrachtet werden. Durch das Schalten von digitalen Schaltungen 
entstehen steile Flanken, die im Frequenzspektrum bis in den HF bereich 
gehen. Da kann man aber mit Kondensatoren die Stromspitzen abfangen, so 
dass sie sich nicht auf einer ganzen Platine verirren, dies nur noch zum 
Thema HF.

Du müsstest auf deiner Zeichnung auch noch zeigen wie es weitergeht. 
Sehe ich das Richtig, dass das zwei Anschlussklemmen darstellen sollten, 
an welche ein Kabel angeschlossen wird? Dann könnte dein eingezeichneter 
Stromweg schon hinkommen. Allerdings wird er nicht einen so schönen 
Ecken bilden.
Wenn du aber genaue Auskunft willst, dann müsstest du auch die komplette 
Anordnung zeichnen. Aber mit Fläche minieren bei HF kommst du schon 
einigermassen zum Ziel.

Wenn es aber nur DC oder keine Frequenzen sind, dann ist es ganz einfach 
der kürzeste Weg...

[AVRFan (Gast)]

>Was ich weiß ist, dass
>der rücklaufende Strom versucht, quasi "direkt gegenüber" der
>Spannungsleiterbahn zurückzufließen,

Wer sagt das?  Wenn Du eine Massefläche hast, fließt der Rückstrom 
geradlinig (= kürzester Weg) von der Lötstelle am GND-Pin des OP-ICs 
zur GND-Lötstelle und von dort in den Draht zum entsprechenden Pol der 
Batterie.

Sollte sich auf dem geradliniegen Weg zufällig eine Aussparung in der 
Massefläche befinden, fließt der Strom drum herum.

Ist die Massefläche keine Fläche, sondern ein Leiterzug, fließt der 
Strom entlang des Leiterzugs.

[Martin L. (Gast)]

Ich glaube wenn man sich solche Fragen stelle, sollte man von dem Strom 
als Elektronenfluss etc. Abstand nehmen und das Feld, was ja die 
eigentliche Energie zwischen den Leitern transportiert, betrachten.
Und wenn der Abstand der beiden Leiter größer wird, so wird sich das 
Feld zwischen ihnen aufspreizen. Die Strom bzw. der Ladungsfluss in den 
Leitungen bleibt, muss ja konstant bleiben.
Das Potential (jetzt mal als Linienintegral von GND-Anschlsus gedacht) 
über den Rückweg wird aber, wegen der höheren Induktivität, größer.
Je nachdem wie groß die Schleife ist, kann sich ein Teil der Energie 
auch ablösen und abstrahlen.

Viele Grüße,
 Martin L.

[Vorname N. (logout-name)]

AVRFan wrote:

> Wer sagt das?  Wenn Du eine Massefläche hast, fließt der Rückstrom
> geradlinig (= kürzester Weg) von der Lötstelle am GND-Pin des OP-ICs
> zur GND-Lötstelle und von dort in den Draht zum entsprechenden Pol der
> Batterie.

Nein, das stimmt nur für kleine Frequenzen!

[AVRFan (Gast)]

>Nein, das stimmt nur für kleine Frequenzen!

Aber für die stimmts, und ich glaube, Dan wollte es (was eigentlich 
genau ?) ursprünglich auch nur für tiefe Frequenzen wissen.

[dan (Gast)]

Vielen Dank für die Erklärungen!

Die zwei Punkte links sollten in der Tat Anschlussklemmen darstellen, 
aber das angehängte Bild ist nicht Teil einer real angedachten 
Schaltung, sondern war nur als Beispiel gedacht, um mir die Sache mit 
dem rücklaufenden Strom besser klar machen zu können.

Gruß,
dan