Як випромінює антена (як струми проходять через дріт)

Я не розумію, як антени випромінюють сигнал.

Я розумію основні антени (довжина хвилі, поле електрона E, ...), але я просто не розумію, як струм може пройти через провід, який не має негативного полюса.

Чи можете ви мені поясніть, будь ласка.

Я здогадуюсь, ви не розумієте, як може протікати струм, якщо немає повної схеми. Візьмемо простий диполь з чверть хвилі:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Як може протікати будь-який струм, оскільки немає повного ланцюга від "-" до "+" V1?

Врахуйте це: відносно швидкості, з якою поширюються хвилі в електромагнітних полях, диполь довгий. Це правда, що струм не може протікати, але він не знає, поки не дістанеться до кінця дроту. Коли струм наближається до кінця проводу, але йому немає куди йти, заряди накопичуються до тих пір, поки вони не будуть відсунуті назад в іншому напрямку. На той час, коли він повернувся, він проїхав або пережив 180 ∘ фазовий зсув. Напруга на V1 також змінилася до цього моменту, і тому струм конструктивно додається до нових струмів, що виробляються V1. Якби не частина цієї енергії була втрачена як випромінювання, енергія в цій антені зростала б без обмежень.$\lambda/2$$180^\circ$

Чому енергія випромінює складно. Довга відповідь - " рівняння Максвелла ". Якщо ви не хочете розуміти всіх суворих деталей математики, то ось просте неповне розуміння: струм в антені пов'язаний з магнітним полем, а напруга пов'язане з електричним полем. Антена - це така конструкція, що на деякій відстані від антени ( дальнього поля ) ці два поля взаємно перпендикулярні та по фазі, і ви отримаєте така саморозповсюджуюча хвиля, як це:

Червоний - електричне (Е) поле, а синій - магнітне (В). Це така хвиля, яку випромінював би диполь, вирівняний з віссю Z.

Ось спрощена версія, яка допомогла мені подолати моє власне незнання noob.

В основному існує два типи маленьких антен: мала петльова антена та коротка дипольна антена. Мала антена петлі - це просто кільце дроту, і будь-який струм у проводі виробляє магнітне поле, що оточує антену. Пристрій - це індуктор, але такий, який має велике магнітне поле, заповнене простором.

З іншого боку, коротка дипольна антена - це лише пара металевих «конденсаторних пластин», що стирчать у повітрі, і якщо напруга буде подана поперек них, у навколишньому просторі з’явиться електронне поле. Пристрій - це просто конденсатор, але знову ж таки, він має велике поле заповнення простору в навколишньому регіоні.

Застосуйте синусоїду замість постійних вольт чи струму, і поля навколо "антен" розширяться, потім скорочуються до нуля, потім знову розгортаються, але вказують назад ... потім повторіть. Не утворюються хвилі, тому вони насправді взагалі не є радіоантенами. Але вони створюють місцеві ЕМ-поля в просторі.

Ось відеопроект "TEAL" у MIT з візуальною версією процесу:

Розширюється / скорочується b-поле або e-поле

Добре поки що? Петлева антена генерує магнітне поле, а дипольна антена генерує електричне поле. Дивні речі починають відбуватися, коли ми ведемо будь-яку антену з дуже високою частотою. Це, або ми можемо побудувати версію будь-якої антени з таким великим розміром, що навіть 60 Гц буде типом "радіосигналу", що стосується антени.

Ось що: магнітні або електричні поля, що оточують ці антени, не можуть розширюватися або стискатися швидше, ніж швидкість світла. Отже, що станеться, якщо імпульси змінного струму, застосовані до цих пристроїв, "надто швидкі?" Поля навколо індукторів або конденсаторів повинні повітряна куля виходити назовні, а потім знову всмоктуватися, але що робити, якщо швидкості майже швидкості світла? Ось тоді поля перестають діяти як надуття або стискання невидимих ​​куль. Натомість поля починають вести себе як хвилі.

Отже, коли ми повертаємо полярність під час синусоїди змінного струму, то e-поле або b-поле не повертаються повністю як зазвичай. Натомість він лущиться від антени і просто продовжує рухатись. Частина енергії поля не витягується, а натомість втрачається у просторі. Наша петльова антена вже не просто індуктор, і вона почала створювати хвилі. А наш диполь зараз є пусковим пристроєм, а не просто конденсатором.

YT vid: поля EM, що оточують малу антену

Чудове запитання! Складна відповідь. Щоб зрозуміти, чому це відбувається без зворотного шляху ("негативного полюса"), вам доведеться вийти за межі Омса-Лоу.

Всі прискорені заряди випромінюють. Так все що проводить змінний струм, виступає антеною. Однак часто вони погані антени і не випромінюють добре. В результаті цей аспект часто може бути просто проігнорований для спрощення проблеми.

Щоб зробити гарну антену, вам потрібно передати потужність (енергія міститься в напругах і струмах) в електромагнітне випромінювання (де енергія міститься в полях E і H), віддаляючись від антени. Це вимагає, щоб імпеданс вашої антени був приблизно узгоджений, а струми, що викликають випромінювання, поповнюються по фазі, щоб вони не відміняли один одного, як це було б в лінії електропередачі. Як згадував Джим Діарден, ви можете спроектувати це, щоб отримати стоячі хвилі або скасувати їх залежно від фізичної довжини.

Проблема з вашим запитанням про "відсутність негативного полюса" пов'язана з використанням моделі спрощеної схеми, яка не стосується 3d аспектів і полів напруги та струму. Струм може текти у будь-що, що є провідним (полюси чи відсутні полюси). Зовнішні ЕМ (електромагнітні) хвилі роблять це постійно. Однак немає ом-законної моделі, яка могла б це передбачити.

Щоб перейти на крок від простого закону ом, інженери прийняли модель "Радіаційний опір". Це використовується аналогічно стандартному омічному опору. У законі ом розсіяна енергія перетворюється на тепло. У моделі радіаційної стійкості розсіяна енергія перетворюється на, ну, радіацію.

Опромінювальний опір - це лише простий інструмент, який допоможе інженерам оцінити відомий елемент ланцюга (тобто зазвичай якийсь хлопець РФ обчислює це для вас), не використовуючи рівняння Максвелла та застосовуючи граничні умови до фізичної ланцюга, щоб точно зрозуміти режими випромінювання.

Справжнім ключем до розуміння поведінки ланцюга є розуміння важливості врахування радіаційних аспектів. Коли частота роботи ланцюга має довжину хвилі, яка фізично близька до розміру ланцюга, тоді Закон Ома починає швидко руйнуватися. Як правило, якщо співвідношення між довжиною хвилі та розміром ланцюга більше 0,1, то вам потрібно застосувати рівняння Максвелла, щоб зрозуміти, як працює ця схема. Таким чином, терміни "чверть хвиля" антени повинні бути підказкою, що вам потрібно застосувати теорію ЕМ, щоб зрозуміти, що робить схема.

Якщо у вас є час, спробуйте переварити цю статтю про розуміння ЕМ-випромінювання . Він призначений для навчання інженерів, як схеми можуть працювати таким чином, що закон Ома не спрогнозує. У ньому багато теорії ЕМ, але вам не потрібно реально розуміти все, що, щоб оцінити, існує велика різниця в аналізі ланцюга, коли ваша робоча частота наближається до фізичного розміру вашої схеми.

EDIT: Я просто придумав ще один приклад, який може допомогти. Конденсатори не мають зворотних контурів, вони просто відкриті ланцюги, але все-таки якимось чином вони працюють, правда? Це (а також індуктори, які є лише шортами) працює лише через їх радіаційні властивості. Інженери знайшли спосіб перетворити рівняння ЕМ на нерухомі елементи (або згущені елементи), щоб їх можна було включити в ом-моделі, що полегшує роботу. Як і з антенами, там може бути набагато більше, ніж просто шматок металу, який сидить там нікуди.

Це, можливо, не відповідає Q, але, на відміну від декількох текстових пояснень, для мене розуміння диполя (антени) - і як воно може випромінювати - вийшло з розуміння ланцюга LC https://en.wikipedia.org/wiki /File:LC_parallel_simple.svg

переглянувши цю просту анімацію ("Як формується диполь"):

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Dipolentstehung.gif

Це було дійсно відкрито для очей, на відміну від тонни тексту.

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Dipole_receiving_antenna_animation_6_800x394x150ms.gif

Приплив струмів через провід в антені пов'язаний з тим, що швидкість світла є кінцевою, а антена має ненульовий розмір (відносно швидкості світла на проектній частоті антени), а також не- нульова ємність. Основна фізика.

Оскільки швидкість світла є кінцевою, один кінець дроту ненульової довжини може знаходитись під різною напругою і мати інший заряд, ніж інший кінець, оскільки швидкість світла заважає їм миттєво вирівнюватися. Деякий час знадобиться (порядку близько наносекунди для кожної стопи дроту, або близько 3 нС на метр, можливо, навіть трохи повільніше).

Скажімо, ви підключаєте провід до акумулятора, струму або потоку електронів з одного кінця та з іншого. Але що робити, якщо провід настільки довгий, як, наприклад, 0,25 мс, щоб швидкість світла досягала від одного кінця до іншого? Тоді, якщо струм почне надходити в один кінець, цей струм насправді не буде "знати", якщо струм витікає другим кінцем дроту в акумулятор до 0,25 мкм пізніше.

Отже, якщо ви підключите лише один кінець дроту до джерела напруги, струм почне текти, і коли він досягне іншого кінця проводу, заряджає далекий кінець дроту, як і конденсатор, оскільки у нього немає куди ще йти (протилежний термінал акумулятора не знайдено). Але якщо ви керуєте ближнім кінцем з генератором 1 МГц замість акумулятора постійного струму, до моменту, коли дальний кінець заряджається, найближчий кінець швидко повертає напругу, якраз вчасно розряджаючи цей конденсатор (оскільки потрібно ще 0,25 мс) щоб ця плата повернулася до пункту подачі).

Ця кінцева довжина дроту також має індуктивність. Ця індуктивність призведе до зворотного ЕРС, протистоять заряду, який рухається вгору по дроту. Цей опір спричиняє втрату енергії в дроті, а збереження енергії передає цю енергію в електромагнітне поле, яке відбігає від антени зі швидкістю світла, і швидше, ніж будь-яка протидіюча хвиля (викликана зарядом у напрямку, що повертається в провід) може наздогнати та скасувати. Ці чергуються фронти ЕМ-поля перетворюються на стандартні радіочастотні хвилі, коли вони випромінюють далеко від ближнього поля антени.

Негативний полюс ланцюга - це далекий кінець другої половини диполя, який заряджається і розряджається в зворотному напрямку. Або, у випадку вертикальної монопольної антени, планета Земля (та / або заземлений провід, радіо корпус, ваша рука, зрештою весь Всесвіт) виявляється протилежною пластиною конденсатора.

Я думаю, що цей підхід, хоча і не зовсім правильний, може допомогти. Спробуйте уявити акумулятор і два провід, підключені на його клемах відкритим кінцем. Потужність існує в акумуляторі. Це означає, що в акумуляторі існує електричне поле, тепер це поле проходить через підключений провід, спричиняючи накопичення + ве та -ве зарядів на відповідних кінцях, поки не буде досягнуто однакового потенціалу, це залишається, поки потенціал акумулятора не зміниться. Тепер обидва відкритих кінця мають ту саму величину потенціалу, що і у батареї. Тепер, якщо я збільшую потенціал акумулятора, ще кілька зарядів переміщуватимуться до кінця, поки потенціал не збалансується. І коли я знижую потенціал, деякі заряди повернуться назад. Хоча рух зборів відбувається за короткий проміжок часу. Цей рух відбувається постійно, коли подається змінна напруга, ефективно коливаючи заряди і, отже, виробляючи ЕМ хвилі. Сподіваюся, це допомагає :)

Радіаційний та антенний механізм

Радіохвилі - це невидимий змінний струм в атмосфері. Світлові хвилі видно змінний струм в атмосфері.

Антена - це клема електричного струму; немає струму, що проходить через антену, лише напруга коливається з вхідним струмом. Ця коливальна напруга в антені передавача індукує змінний струм у повітрі, поширюючись від поверхні антени під кутом 90 градусів, пропускаючи повітря, щоб дійти до приймальної антени і викликати коливальну напругу в ній.

У процесі дії антена схожа на повітряну кулю, струм - як повітря, а напруга - як тиск повітря.

Коли повітря нагнітається і виходить з повітряної кулі, тиск у повітряній кулі буде постійно змінюватися і створювати в повітрі поздовжні звукові хвилі.

Так само, коли електрони накачують антену і виходять з неї, напруга в антені буде постійно змінюватися і створювати в повітрі поздовжні електростатичні хвилі. Це, власне, змінний струм у повітрі.

У вакуумному просторі сила Кулона є провідником електричної енергії. Лінія електронів зору на поверхнях антен постійно відштовхують один одного силою Кулона. F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2.

Ця сила відштовхування діє як жорсткий стрижень без маси і тіла, і миттєво передає електричну енергію вільно назад і назад між двома антенами.

Тримайте магніт в кожній руці, однаковими полюсами, зверненими один до одного. Чи відчуваєте ви сильну силу відштовхування? Так. Махніть однією рукою вперед і назовні. Відчуваєте, що кінетична енергія миттєво передається в іншу руку? Так. Дві руки махають з однаковою частотою? Так. Чи є між двома руками магнітна хвиля? Ні.

Магнітна сила відштовхування є провідником кінетичної енергії між двома руками, що дозволяє кінетичній енергії вільно передаватись миттєво. Це явище можна назвати магнітним випромінюванням.

Якщо ми тримаємо в руках електрони замість магнітів, то це електростатичне випромінювання, неправильне трактування електромагнітного випромінювання вченими.

Напрямок змінного струму завжди перпендикулярний поверхні антени, і він поширюється у повітрі як поздовжня хвиля.