Come si irradia l'antenna (come le correnti fluiscono attraverso il filo)

Non capisco come le antenne emettano un segnale.

Capisco l'antenna di base (lunghezza d'onda, campo dell'elettrone E, ...), ma semplicemente non capisco come può la corrente passare attraverso un filo che non ha un polo negativo.

Puoi per favore spiegarmelo.

Immagino che tu non capisca come può fluire la corrente se non c'è un circuito completo. Prendiamo un semplice dipolo a quarto d'onda come esempio:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Come può qualsiasi flusso di corrente, poiché non esiste un circuito completo da "-" a "+" di V1?

$\lambda/2$$180^\circ$

Perché l'energia si irradia è complicato. La risposta lunga è " equazioni di Maxwell ". Se non vuoi capire tutti i dettagli grintosi di quella matematica, ecco una comprensione semplice e incompleta: la corrente in un'antenna è associata a un campo magnetico e la tensione è associata a un campo elettrico. Un'antenna è una disposizione in modo tale che a una certa distanza dall'antenna (il campo lontano ) questi due campi sono reciprocamente perpendicolari e in fase, e ciò che si ottiene è un'onda auto-propagante come questa:

Il rosso è il campo elettrico (E) e il blu è il campo magnetico (B). Questo è il tipo di onda che verrebbe emessa da un dipolo allineato con l'asse Z.

Ecco una versione semplificata che mi ha aiutato a superare la mia ignoranza noob.

Esistono fondamentalmente due tipi di piccole antenne: l'antenna ad anello piccolo e l'antenna a dipolo corto. L'antenna ad anello piccolo è solo un anello di filo e qualsiasi corrente nel filo produce un campo magnetico che circonda l'antenna. Il dispositivo è un induttore, ma ha un ampio campo magnetico che riempie lo spazio.

D'altra parte, l'antenna a dipolo corto è solo una coppia di "piastre condensatore" metalliche che sporgono nell'aria, e se una tensione viene applicata attraverso di esse, ci sarà un campo elettronico nello spazio circostante. Il dispositivo è solo un condensatore, ma ha ancora un grande campo di riempimento dello spazio nella regione circostante.

Applicare un'onda sinusoidale invece di volt o corrente costanti e i campi attorno alle "antenne" si espandono, quindi si contraggono su zero, quindi si espandono di nuovo ma puntano all'indietro ... quindi si ripetono. Non vengono generate onde, quindi non sono affatto antenne radio. Ma stanno creando alcuni campi EM locali nello spazio.

Ecco il progetto video "TEAL" al MIT con una versione visiva del processo:

Espandere / contrarre b-field o e-field

OK finora? L'antenna ad anello genera un campo magnetico e l'antenna a dipolo genera un campo elettrico. Le cose strane iniziano a succedere quando guidiamo entrambe le antenne con una frequenza molto alta. Questo, o possiamo costruire una versione di entrambe le antenne con una dimensione così grande che anche 60Hz sarà un tipo di "segnale radio" per quanto riguarda l'antenna.

Ecco la cosa: i campi magnetici o elettrici che circondano quelle antenne non possono espandersi o contrarsi più velocemente della velocità della luce. Quindi, cosa succede se gli impulsi CA applicati a questi dispositivi sono "troppo veloci?" I campi intorno agli induttori o ai condensatori devono gonfiarsi verso l'esterno e poi risucchiarsi di nuovo, ma cosa succede se le velocità sono quasi la velocità della luce? Questo è quando i campi smettono di comportarsi come gonfiare o contrarre palloncini invisibili. Invece i campi iniziano a comportarsi come onde.

Quindi, quando invertiamo la polarità durante l'onda sinusoidale CA, il campo elettronico o il campo b non vengono risucchiati completamente come al solito. Invece si stacca dall'antenna e continua a muoversi. Parte dell'energia di campo non viene recuperata e invece viene persa nello spazio. La nostra antenna ad anello non è più solo un induttore e ha iniziato a creare onde. E il nostro dipolo è ora un wave-launcher e non solo un condensatore.

YT vid: campi EM che circondano la piccola antenna

Ottima domanda! Risposta complessa. Per capire perché ciò accade senza un percorso di ritorno ("polo negativo") devi andare oltre la Legge di Ohm.

Tutte le cariche accelerate si irradiano. Quindi tutto ciò che conduce corrente alternata funge da antenna. Tuttavia spesso sono povere antenne e non si irradiano bene. Di conseguenza questo aspetto può spesso essere semplicemente ignorato per semplificare il problema.

Per creare una buona antenna devi trasferire l'energia (l'energia è contenuta in tensioni e correnti) in radiazione elettromagnetica (dove l'energia è contenuta nei campi E e H) che si allontana dall'antenna. Ciò richiede che l'impedenza dell'antenna sia approssimativamente adattata e che le correnti che causano le radiazioni si sommino in fase in modo che non si annullino a vicenda come si farebbero in una linea di trasmissione. Come ha detto Jim Dearden, puoi progettare questo per ottenere onde stazionarie o annullarle a seconda della lunghezza fisica.

Il problema con la tua domanda sul "non avere un polo negativo" è legato all'uso di un modello di circuito semplificato che non si preoccupa degli aspetti e dei campi 3d di tensione e corrente. La corrente può fluire in tutto ciò che è conduttivo (poli o nessun polo). Le onde EM (elettromagnetiche) esterne lo fanno sempre. Tuttavia non esiste un modello di legge ohm in grado di prevederlo.

Per fare un passo avanti rispetto alla semplice legge sugli ohm, gli ingegneri hanno adottato un modello di "resistenza alle radiazioni". Questo è usato in modo simile alla resistenza ohmica standard. Nella legge degli ohm l'energia dissipata viene trasformata in calore. Nel modello di resistenza alle radiazioni l'energia dissipata viene trasformata in radiazione.

La resistenza alle radiazioni è solo uno strumento semplice per aiutare gli ingegneri a valutare un elemento circuitale noto (cioè di solito un tipo RF lo ha calcolato per te) senza dover usare le equazioni di Maxwell e applicare le condizioni al contorno al circuito fisico per capire esattamente le modalità di radiazione.

La vera chiave per comprendere il comportamento di un circuito è capire quando gli aspetti della radiazione sono importanti da prendere in considerazione. Quando la frequenza di funzionamento di un circuito ha una lunghezza d'onda che è fisicamente vicina alla dimensione del circuito, allora la Legge di Ohm inizia a decadere rapidamente. Come regola generale, se il rapporto tra lunghezza d'onda e dimensione del circuito è maggiore di 0,1, è necessario applicare le equazioni di Maxwell per capire come funzionerà quel circuito. Pertanto, i termini "antenna a quarto di onda" dovrebbero essere un indizio della necessità di applicare la teoria EM per capire cosa fa il circuito.

Se hai tempo, prova a digerire questo articolo sulla comprensione delle radiazioni EM . È progettato per tutorare gli ingegneri su come i circuiti possono funzionare in modi che la legge di Ohm non riesce a prevedere. Ha molta teoria EM in esso, ma non è necessario capire davvero tutto ciò per apprezzare che c'è una grande differenza nell'analisi del circuito quando la frequenza operativa si avvicina alla dimensione fisica del circuito.

EDIT: ho appena pensato a un altro esempio che potrebbe aiutare. I condensatori non hanno percorsi di ritorno, sono solo circuiti aperti, ma in qualche modo funzionano, giusto? Questo (e gli induttori che sono solo corti) funzionano solo a causa delle loro proprietà di radiazione. Gli ingegneri hanno trovato il modo di trasformare le equazioni EM in elementi fissi (o elementi raggruppati) in modo che possano essere incorporati in modelli di legge ohm che li rendono più facili da lavorare. Come con le antenne, può succedere molto di più di un semplice pezzo di metallo che non sta andando da nessuna parte.

Questo non sta forse rispondendo alla Q forse, ma a differenza di alcune spiegazioni testuali approfondite, per me capire un dipolo (antenna) e come può irradiare, è venuto dalla comprensione del circuito LC https://en.wikipedia.org/wiki /File:LC_parallel_simple.svg

dopo aver visto questa semplice animazione ("Come si forma un dipolo"):

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

È stato davvero sorprendente, a differenza di una tonnellata di testo.

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

Il modo in cui le correnti che fluiscono attraverso il filo di un'antenna ha a che fare con il fatto che la velocità della luce è finita e che l'antenna ha dimensioni diverse da zero (rispetto alla velocità della luce alla frequenza di progetto dell'antenna), nonché capacità zero. Fisica di base.

A causa della velocità della luce finita, un'estremità di un filo di lunghezza diversa da zero può avere una tensione diversa e avere una carica diversa rispetto all'altra estremità, poiché la velocità della luce impedisce loro di equalizzarsi istantaneamente. Sarà necessario un po 'di tempo (nell'ordine di circa un nanosecondo per ogni piede di filo, o circa 3 nS per metro, forse anche un po' più lento).

Supponi di collegare un filo a una batteria, la corrente o il flusso di elettroni a un'estremità e fuori dall'altra. Ma cosa succede se il filo è così lungo, diciamo 0,25 uS affinché la velocità della luce raggiunga da un'estremità all'altra? Quindi, se la corrente inizia a fluire a un'estremità, quella corrente non "saprà" realmente se la corrente fluisce dall'altra estremità del filo nella batteria fino a 0,25 US più tardi.

Quindi, se colleghi solo un'estremità di un filo a una sorgente di tensione, la corrente inizia a fluire e quando raggiunge l'altra estremità del filo, carica l'estremità più lontana del filo, proprio come un condensatore, poiché non ha dove altro andare (nessun terminale opposto della batteria trovato). Ma se stai guidando l'estremità vicina con un oscillatore da 1 MHz invece di una batteria CC, quando si carica la parte lontana, l'estremità vicina sta rapidamente invertendo la tensione, appena in tempo per scaricare quel condensatore (mentre ci vogliono altri 0,25 uS affinché tale addebito ritorni al punto di alimentazione).

Anche la lunghezza finita del filo ha induttanza. Tale induttanza causerà EMF inversa che resiste alla carica che viaggia lungo il filo. Quella resistenza provoca una perdita di energia nel filo e la conservazione dell'energia mette quell'energia in un campo elettromagnetico che corre via dall'antenna alla velocità della luce e più veloce di qualsiasi onda contraria (causata dalla carica nelle direzioni di inversione del filo) può recuperarlo e cancellarlo. Quei fronti di campo EM alternati si trasformano in onde RF standard mentre si irradiano dal campo vicino dell'antenna.

Il polo negativo del circuito è l'estremità opposta dell'altra metà di un dipolo, che viene caricato e scaricato al contrario. Oppure, nel caso di un'antenna monopolare verticale, il pianeta terra (e / o il filo di terra, la custodia della radio, la tua mano, eventualmente l'intero universo) finisce per essere la piastra opposta del condensatore.

Immagino che questo approccio, sebbene non completamente corretto, possa essere d'aiuto. Prova a immaginare una batteria e 2 fili collegati ai suoi terminali aperti. Esiste un potente nella batteria. Ciò significa che esiste un campo elettrico nella batteria, ora questo campo attraversa il filo collegato, causando l'accumulo di + ve e -ve cariche alle rispettive estremità fino a quando non viene raggiunto lo stesso potenziale, questo rimane fino a quando il potenziale della batteria non viene modificato. Ora entrambe le estremità aperte hanno la stessa ampiezza di potenziale della batteria. Ora, se aumento il potenziale della batteria, alcune ulteriori cariche si sposteranno alle estremità fino a quando il potenziale non sarà bilanciato. E quando diminuisco il potenziale, alcune accuse torneranno indietro. Sebbene il movimento delle accuse sia per un breve periodo di tempo. Questo movimento si verifica continuamente quando viene applicata una tensione CA, oscillare efficacemente le cariche e quindi produrre onde EM. Spero che sia di aiuto :)

Meccanismo di radiazione e antenna

Le onde radio sono correnti alternate invisibili nell'atmosfera. Le onde luminose sono visibili alternando la corrente nell'atmosfera.

L'antenna è un terminale di corrente elettrica; non c'è corrente che passa attraverso un'antenna, solo la tensione oscilla con la corrente di ingresso. Questa tensione oscillante nell'antenna del trasmettitore induce una corrente alternata nell'aria, che si propaga lontano dalla superficie dell'antenna con un angolo di 90 gradi, passando attraverso l'aria per raggiungere l'antenna del ricevitore e indurre la tensione oscillante in essa.

Nel processo, l'antenna è come un pallone, la corrente è come l'aria e la tensione è come la pressione dell'aria.

Quando l'aria viene pompata dentro e fuori dal pallone, la pressione nel pallone continuerà a cambiare e produrrà onde sonore longitudinali nell'aria.

Allo stesso modo, quando gli elettroni pompano dentro e fuori l'antenna, la tensione nell'antenna continuerà a cambiare e producendo onde elettrostatiche longitudinali nell'aria. Questa è, infatti, corrente alternata nell'aria.

Nello spazio del vuoto, la forza di Coulomb è il conduttore di energia elettrica. Gli elettroni della linea di vista sulle superfici delle antenne si respingono costantemente con la forza di Coulomb. F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2.

Questa forza di repulsione agisce come un'asta rigida senza massa e corpo e trasferisce istantaneamente energia elettrica avanti e indietro tra le due antenne.

Tieni un magnete in ogni mano, con gli stessi poli uno di fronte all'altro. Senti la forte forza repulsiva? Sì. Agita una mano dentro e fuori. Senti l'energia cinetica immediatamente trasferita all'altra mano? Sì. Le due mani stanno agitando alla stessa frequenza? Sì. C'è qualche onda magnetica che viaggia tra le due mani? No.

La forza magnetica di repulsione è il conduttore di energia cinetica tra le due mani, consentendo all'energia cinetica di trasferirsi liberamente all'istante. Possiamo chiamare questo fenomeno radiazione magnetica.

Se teniamo in mano gli elettroni invece dei magneti, si tratta di radiazione elettrostatica, un'interpretazione errata della radiazione elettromagnetica da parte degli scienziati.

La direzione della corrente alternata è sempre perpendicolare alla superficie dell'antenna e si propaga nell'aria come un'onda longitudinale.