Как излучает антенна (как течет ток через провод)

Я не понимаю, как антенны излучают сигнал.

Я понимаю основы антенны (длина волны, электронное поле Е, ...), но я просто не понимаю, как ток может проходить через провод, который не имеет отрицательного полюса.

Можете ли вы объяснить это мне.

Я предполагаю, что вы не понимаете, как ток может течь, если нет полной цепи. Давайте возьмем простой четвертьволновый диполь в качестве примера:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Как может протекать какой-либо ток, поскольку нет полной цепи от "-" до "+" V1?

Учтите это: относительно скорости распространения волн в электромагнитных полях диполь длинный. Это правда, что ток не может течь, но он не знает этого, пока не достигнет конца провода. Когда ток приближается к концу провода, но ему некуда идти, заряды накапливаются до тех пор, пока они не отодвинуты в другом направлении. К тому времени он вернулся, она путешествовала или испытала 180 ∘ фазового сдвига. Напряжение на V1 также изменилось к этой точке, и поэтому ток конструктивно прибавляется к новым токам, создаваемым V1. Если бы не какая-то часть этой энергии терялась как излучение, энергия в этой антенне росла бы без ограничений.$\lambda/2$$180^\circ$

Почему энергия излучается, сложно. Длинный ответ - « Уравнения Максвелла ». Если вы не хотите понимать все мелкие детали этой математики, то вот простое, неполное понимание: ток в антенне связан с магнитным полем, а напряжение связано с электрическим полем. Антенна представляет собой такое устройство, что на некотором расстоянии от антенны ( дальнее поле ) эти два поля взаимно перпендикулярны и находятся в фазе, и в результате получается самораспространяющаяся волна, подобная этой:

Красный - это электрическое (E) поле, а синий - это магнитное (B) поле. Это такая волна, которая испускается диполем, выровненным по оси Z.

Вот упрощенная версия, которая помогла мне преодолеть мое собственное невежество нубов.

Есть в основном два типа маленьких антенн: антенна с малой петлей и антенна с коротким диполем. Маленькая рамочная антенна - это просто кольцо провода, и любой ток в проводе создает магнитное поле, окружающее антенну. Устройство является индуктором, но имеет большое магнитное поле, заполняющее пространство.

С другой стороны, антенна с коротким диполем - это просто пара металлических «конденсаторных пластин», торчащих в воздух, и если на них будет подано напряжение, в окружающем пространстве появится электронное поле. Устройство представляет собой просто конденсатор, но, опять же, оно имеет большое пространство, заполняющее пространство в окружающей области.

Примените синусоидальную волну вместо постоянного напряжения или тока, и поля вокруг «антенн» будут расширяться, затем сжиматься до нуля, затем снова расширяться, но указывать назад ... затем повторять. Волны не генерируются, поэтому они на самом деле не являются радио-антеннами. Но они создают некоторые локальные электромагнитные поля в космосе.

Вот видеопроект «TEAL» в MIT с визуальной версией процесса:

Расширяющееся / сжимающееся b-поле или e-field

Хорошо пока? Рамочная антенна генерирует магнитное поле, а дипольная антенна генерирует электрическое поле. Странные вещи начинают происходить, когда мы подключаем любую антенну с очень высокой частотой. Это, или мы можем построить версию любой антенны с такими большими размерами, что даже 60 Гц будет своего рода «радиосигналом», если говорить об антенне.

Вот в чем дело: магнитные или электрические поля, окружающие эти антенны, не могут расширяться или сжиматься быстрее скорости света. Итак, что произойдет, если импульсы переменного тока, подаваемые на эти устройства, «слишком быстрые»? Поля вокруг катушек индуктивности или конденсаторов должны выдуваться наружу, а затем снова втягиваться обратно, но что, если скорость равна скорости света? Это когда поля перестают действовать как надувать или сжимать невидимые воздушные шары. Вместо этого поля начинают вести себя как волны.

Таким образом, когда мы меняем полярность во время синусоидальной волны переменного тока, электронное поле или b-поле не возвращаются полностью, как обычно. Вместо этого он отрывается от антенны и просто продолжает двигаться. Часть энергии поля не восстанавливается, а вместо этого теряется в космосе. Наша рамочная антенна уже не просто индуктор, и она начала создавать волны. И наш диполь теперь является волноводом, а не просто конденсатором.

YT VID: электромагнитные поля вокруг маленькой антенны

Отличный вопрос! Комплексный ответ. Чтобы понять, почему это происходит без обратного пути («отрицательный полюс»), вы должны выйти за пределы закона Ома.

Все ускоренные заряды излучают. Таким образом, все, что проводит переменный ток, действует как антенна. Однако часто они являются плохими антеннами и плохо излучают. В результате этот аспект часто можно просто игнорировать, чтобы упростить проблему.

Чтобы сделать хорошую антенну, вы должны передавать энергию (энергия содержится в напряжениях и токах) в электромагнитное излучение (где энергия содержится в полях E и H), распространяющееся от антенны. Для этого необходимо, чтобы импеданс вашей антенны был приблизительно согласован, а токи, которые вызывают излучение, накапливались в фазе, чтобы они не подавляли друг друга, как в линии передачи. Как упоминал Джим Дирден, вы можете создать это, чтобы получать стоячие волны или подавлять их в зависимости от физической длины.

Проблема с вашим вопросом о «отсутствии отрицательного полюса» связана с использованием упрощенной модели схемы, которая не связана с трехмерными аспектами и полями напряжения и тока. Ток может течь во всем, что является проводящим (полюсы или нет полюсов). Внешние электромагнитные волны делают это постоянно. Однако нет модели ом-закона, которая могла бы предсказать это.

Чтобы отойти от простого закона Ома, инженеры приняли модель «Радиационная стойкость». Это используется аналогично стандартному омическому сопротивлению. По закону Ома рассеиваемая энергия превращается в тепло. В модели радиационной стойкости рассеиваемая энергия превращается, в общем, в излучение.

Радиационное сопротивление - это всего лишь простой инструмент, помогающий инженерам оценить известный элемент схемы (то есть обычно какой-то специалист по радиочастотам вычисляет его для вас) без необходимости использовать уравнения Максвелла и применять граничные условия к физической схеме, чтобы точно понять режимы излучения.

Настоящим ключом к пониманию поведения схемы является понимание того, когда важно учитывать аспекты излучения. Когда частота работы схемы имеет длину волны, физически близкую к размеру схемы, тогда закон Ома начинает быстро разрушаться. Как правило, если соотношение между длиной волны и размером цепи больше 0,1, то вам нужно применить уравнения Максвелла, чтобы понять, как эта схема будет работать. Таким образом, термины «четвертьволновая» антенна должны быть подсказкой, что вам нужно применять теорию ЭМ, чтобы понять, что делает схема.

Если у вас есть время, попробуйте переварить эту статью о понимании электромагнитного излучения . Он предназначен для обучения инженеров тому, как схемы могут работать так, как не может предвидеть закон Ома. В нем много электромагнитной теории, но вам не нужно действительно понимать все это, чтобы понять, что в анализе цепей есть большая разница, когда ваша рабочая частота приближается к физическому размеру вашей схемы.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Я просто подумал о другом примере, который может помочь. Конденсаторы не имеют обратного пути, они просто разомкнутые цепи, но как-то они работают, верно? Это (и индукторы, которые являются просто короткими замыканиями) работают только из-за их радиационных свойств. Инженеры нашли способ превратить уравнения ЭМ в фиксированные элементы (или сосредоточенные элементы), чтобы их можно было включить в модели с ом-законами, чтобы с ними было легче работать. Как и в случае с антеннами, может происходить гораздо больше, чем просто кусок металла, который сидит там, и никуда не денется.

Возможно, на самом деле это не ответ на вопрос Q, но в отличие от некоторых подробных текстовых объяснений, для меня понимание диполя (антенны) и того, как он может излучать, пришло из понимания схемы LC https://en.wikipedia.org/wiki /File:LC_parallel_simple.svg

увидев эту простую анимацию («Как образуется диполь»):

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

Это было действительно поразительно, в отличие от тонны текста.

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

То, как токи протекают через провод в антенне, связано с тем фактом, что скорость света конечна, а антенна имеет ненулевой размер (относительно скорости света на проектной частоте антенны), а также ненулевую нулевая емкость. Основная физика.

Из-за конечной скорости света один конец провода ненулевой длины может находиться под другим напряжением и иметь другой заряд, чем другой конец, потому что скорость света не позволяет им мгновенно выравниваться. Потребуется некоторое время (порядка около наносекунды на каждый фут провода или около 3 нС на метр, возможно, даже чуть медленнее).

Скажем, вы подключаете провод к батарее, ток или электроны текут с одного конца и выходят с другого. Но что, если провод такой длинный, скажем, 0,25 мкс, чтобы скорость света достигла от одного конца до другого? Затем, если ток начинает течь на одном конце, этот ток не будет «знать», течет ли ток через другой конец провода в батарею, до 0,25 мкс позже.

Таким образом, если вы подключаете только один конец провода к источнику напряжения, ток начинает течь, и когда он достигает другого конца провода, заряжает дальний конец провода, как конденсатор, так как он не имеет куда еще идти (противоположных клемм аккумулятора не найдено). Но если вы управляете ближним концом с генератором 1 МГц вместо батареи постоянного тока, к тому времени, как дальний конец заряжается, ближний конец быстро меняет напряжение, как раз вовремя, чтобы разрядить этот конденсатор (так как для этого требуется еще 0,25 мкс) для этого заряда, чтобы вернуться к точке подачи).

Эта конечная длина провода также имеет индуктивность. Эта индуктивность вызовет обратную ЭДС, сопротивляющуюся заряду, распространяющемуся по проводу. Это сопротивление вызывает потерю энергии в проводе, и сохранение энергии переводит эту энергию в электромагнитное поле, бегущее от антенны со скоростью света и быстрее, чем любая противодействующая волна (вызванная зарядом в направлениях, обращающих провод) может догнать и отменить это. Эти переменные фронты электромагнитного поля превращаются в стандартные радиочастотные волны, поскольку они излучают вдали от ближнего поля антенны.

Отрицательный полюс цепи - это дальний конец другой половины диполя, который заряжается и разряжается в обратном направлении. Или, в случае вертикальной монопольной антенны, планета Земля (и / или провод заземления, корпус радиоприемника, ваша рука, в конечном итоге вся вселенная) оказывается противоположной пластиной конденсатора.

Я думаю, что этот подход, хотя и не совсем правильный, может помочь. Попробуйте представить себе батарею и 2 провода, подключенные к ее клеммам с открытым концом. Сильное вещество существует в батарее. Это означает, что в батарее существует электрическое поле, и теперь это поле проходит через подключенный провод, вызывая накопление + ve и -ve зарядов на соответствующих концах, пока не будет достигнут тот же потенциал, это сохраняется до тех пор, пока потенциал батареи не изменится. Теперь оба открытых конца имеют ту же величину потенциала, что и у батареи. Теперь, если я увеличу потенциал батареи, еще несколько зарядов переместятся к концу, пока потенциал не будет сбалансирован. И когда я уменьшу потенциал, некоторые заряды отойдут назад. Хотя движение зарядов происходит за короткий промежуток времени. Это движение происходит непрерывно при подаче переменного напряжения, эффективно осциллирует заряды и, следовательно, производит электромагнитные волны Надеюсь это поможет :)

Радиационный и антенный механизм

Радиоволны представляют собой невидимый переменный ток в атмосфере. Световые волны видны переменным током в атмосфере.

Антенна является клеммой электрического тока; нет тока, проходящего через антенну, только напряжение колеблется с входным током. Это колебательное напряжение в антенне передатчика индуцирует переменный ток в воздухе, распространяясь от поверхности антенны под углом 90 градусов, проходя через воздух, чтобы достичь антенны приемника и вызвать колебания напряжения в ней.

При этом антенна похожа на воздушный шар, ток - на воздух, а напряжение - на давление воздуха.

Когда воздух закачивается в воздушный шар и выходит из него, давление в воздушном шаре будет постоянно изменяться и создавать продольные звуковые волны в воздухе.

Точно так же, когда электроны накачивают в антенну и выходят из нее, напряжение в антенне будет продолжать изменяться и создавать продольные электростатические волны в воздухе. Это, по сути, переменный ток в воздухе.

В вакуумном пространстве сила Кулона является проводником электрической энергии. Электроны линии визирования на поверхностях антенн постоянно отталкивают друг друга силой Кулона. F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2.

Эта сила отталкивания действует как жесткий стержень без массы и тела и мгновенно передает электрическую энергию свободно назад и вперед между двумя антеннами.

Держите магнит в каждой руке, с одинаковыми полюсами, обращенными друг к другу. Чувствуете ли вы сильную силу отталкивания? Да. Махни одной рукой внутрь и наружу. Чувствуете кинетическую энергию, мгновенно передаваемую другой руке? Да. Две руки машут с одинаковой частотой? Да. Есть ли магнитная волна, распространяющаяся между двумя руками? Нет.

Магнитная сила отталкивания является проводником кинетической энергии между двумя руками, позволяя кинетической энергии свободно перемещаться мгновенно. Мы можем назвать это явление магнитным излучением.

Если мы держим электроны в наших руках вместо магнитов, это электростатическое излучение, неверное толкование электромагнитного излучения учеными.

Направление переменного тока всегда перпендикулярно поверхности антенны и распространяется в воздухе в виде продольной волны.