Anten nasıl yayılır (akımlar telden nasıl akar)

Antenlerin bir sinyali nasıl yaydığını anlamıyorum.

Temel anteni (dalga boyu, elektron E alanı, ...) anlıyorum ama akımın negatif kutbu olmayan bir telden nasıl geçebileceğini anlamıyorum.

Lütfen bunu bana açıklar mısın?

Tam bir devre yoksa akımın nasıl akabileceğini anlamadığınızı tahmin ediyorum. Örnek olarak basit bir çeyrek dalga dipol alalım:

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

V1'in "-" ile "+" arasında tam devre olmadığından herhangi bir akım nasıl akabilir?

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

Enerjinin yaydığı neden karmaşık. Uzun cevap " Maxwell denklemleri " dir. Bu matematiğin bütün detaylarını anlamak istemiyorsanız, işte basit, eksik bir anlayış: Bir antendeki akım manyetik alanla ilişkilidir ve voltaj bir elektrik alanla ilişkilendirilir. Anten, antenden biraz uzakta ( uzak alan ) bu iki alanın karşılıklı olarak dik ve fazda olduğu ve aldığınız şey şöyle bir kendiliğinden yayılan dalga olacak şekilde bir düzenlemedir:

Kırmızı, elektrik (E) alanı ve mavi, manyetik (B) alanıdır. Bu, Z ekseni ile hizalı bir dipol tarafından yayılacak dalga türüdür.

İşte benim noob cehaletimi geçmeme yardım eden basitleştirilmiş bir versiyon.

Temel olarak iki tip küçük anten vardır: küçük ilmek anteni ve kısa dipol anten. Küçük halka anten sadece bir tel halkasıdır ve teldeki herhangi bir akım anteni çevreleyen manyetik bir alan oluşturur. Cihaz bir indüktördür, fakat büyük bir boşluk doldurma manyetik alanına sahip olandır.

Öte yandan, kısa dipol anten, havaya yapışan sadece bir çift metal "kapasitör plakası" dır ve bunlar arasında bir voltaj uygulanırsa, çevreleyen alanda bir e-alan olacaktır. Cihaz sadece bir kondansatördür, fakat yine, çevresindeki bölgede geniş bir boşluk doldurma alanına sahiptir.

Sabit volt veya akım yerine bir sinüs dalgası uygulayın; "antenler" etrafındaki alanlar genişler, sonra sıfıra büzülür, sonra tekrar genişler ancak geriye doğru işaret eder ... sonra tekrarlanır. Hiçbir dalga üretilmez, bu yüzden gerçekten hiç radyo anteni değildir. Ancak uzayda bazı yerel EM alanları yaratıyorlar.

İşte sürecin görsel bir versiyonu ile MIT'deki "TEAL" video projesi:

B-alanını veya e-alanını genişletme / daraltma

Tamam çok uzak? Döngü anteni bir manyetik alan ve dipol anteni bir elektrik alanı oluşturur. Her iki anteni de çok yüksek frekanslarla sürdüğümüzde garip şeyler oluyor. Bu, ya da her iki antenin, 60Hz'in bile, anten söz konusu olduğunda bir tür "radyo sinyali" olacağı kadar büyük bir versiyonunu oluşturabiliriz.

İşte olay şu: bu antenleri çevreleyen manyetik veya elektrik alanlar ışık hızından daha hızlı genleşemez veya daralabilir. Peki, bu cihazlara uygulanan AC darbeleri "çok hızlı" ise ne olur? İndüktörler veya kapasitörler etrafındaki alanlar dışarı doğru balonlanmalı ve sonra tekrar geri çekilmelidirler, peki ya hızlar neredeyse ışık hızıysa? O zaman alanlar görünmez balonları şişirmek ya da daraltmak gibi davranmayı bıraktığında. Bunun yerine alanlar dalga gibi davranmaya başlar.

Bu nedenle, AC sinüs dalgası sırasındaki polariteyi tersine çevirdiğimizde, e-alanı veya b-alanı her zamanki gibi tamamen geri çekilmez. Bunun yerine antenden kurtulur ve hareket etmeye devam eder. Alan enerjisinin bir kısmı geri kazanılmaz ve bunun yerine uzaya kaybolur. Döngü antenimiz artık sadece bir indüktör değil, dalgalar oluşturmaya başladı. Ve dipolümüz artık bir dalga başlatıcısı ve sadece bir kondansatör değil.

YT vid: Küçük anteni çevreleyen EM alanları

Harika soru! Karmaşık cevap Bunun neden bir dönüş yolu olmadan ("negatif kutup") olduğunu anlamak için Ohm-Kanununun ötesine geçmek zorundasınız.

Hızlandırılmış tüm ücretler yayılır. Böylece alternatif akımı ileten her şey bir anten görevi görür. Ancak, çoğu zaman zayıf antenlerdir ve iyi yayılmazlar. Sonuç olarak, bu özellik sorunu basitleştirmek için genellikle göz ardı edilebilir.

İyi bir anten yapmak için antenden uzağa giden gücü (enerji voltaj ve akımda bulunur) elektromanyetik radyasyona (enerjinin E ve H alanlarında bulunduğu) aktarmanız gerekir. Bu, anteninizin empedansının kabaca eşleşmesini ve radyasyona neden olan akımların faz içi toplanmasını ve böylece bir iletim hattında olduğu gibi birbirlerini iptal etmemelerini gerektirir. Jim Dearden'in dediği gibi, bunu, dalgaları sabitlemek veya fiziksel uzunluğa bağlı olarak iptal etmek için tasarlayabilirsiniz.

"Negatif direğe sahip olmama" sorusuyla ilgili sorun, gerilimin ve akımın 3d yönleri ve alanları ile ilgili olmayan basitleştirilmiş bir devre modeli kullanmakla ilgilidir. Akım iletken olan herhangi bir şeyde akabilir (kutup veya kutup yok). Harici EM (elektromanyetik) dalgalar her zaman bunu yapar. Bununla birlikte, bunu tahmin edebilecek bir ohm yasası modeli yoktur.

Basit ohm yasasından bir adım öteye geçmek için, mühendisler bir "Radyasyon Direnci" modelini benimsemişlerdir. Bu, standart ohm direnci ile aynı şekilde kullanılır. Ohm yasasında, harcanan enerji ısıya dönüşür. Radyasyon direnci modelinde, harcanan enerji, radyasyona dönüşür.

Radyasyon direnci, mühendislerin Maxwell'in Denklemlerini kullanmadan ve sınır koşullarını tam olarak radyasyon modlarını anlamak için fiziksel devreye uygulamak zorunda kalmadan bilinen bir devre elemanını (yani genellikle sizin için hesaplayan bazı RF çalışanları) değerlendirmelerine yardımcı olan basit bir araçtır.

Bir devrenin davranışını anlamanın asıl anahtarı, radyasyon yönlerinin ne zaman dikkate alınması gerektiğini anlamaktır. Bir devrenin çalışma sıklığı fiziksel olarak devrenin boyutuna yakın olan bir dalga boyuna sahip olduğunda, Ohm Kanunu hızla bozulmaya başlar. Kural olarak, dalga boyu ve devre büyüklüğü arasındaki oran 0,1'den büyükse, o devrenin nasıl çalışacağını anlamak için Maxwell Denklemlerini uygulamanız gerekir. Bu yüzden "çeyrek dalga" anteni terimi, devrenin ne yaptığını anlamak için EM teorisini uygulamanız gerektiğine dair bir ipucu olmalıdır.

Zamanınız varsa, EM Radyasyonunu anlama hakkındaki bu makaleyi sindirmeye çalışın . Mühendislerin, devrelerin ohm yasasının öngöremediği şekilde nasıl çalışabileceği konusunda eğitmenleri için tasarlanmıştır. İçinde çok sayıda EM teorisi var, ancak çalışma frekansınız devrenin fiziksel boyutuna yaklaştığında devre analizinde büyük bir fark olduğunu takdir etmek için her şeyi anlamanıza gerek yok.

EDIT: Sadece yardımcı olabilecek başka bir örnek düşündüm. Kondansatörlerin dönüş yolu yoktur, sadece açık devrelerdir, ancak bir şekilde çalışırlar, değil mi? Bu (ve sadece kısa devre olan indüktörler) sadece radyasyon özellikleri nedeniyle işe yarar. Mühendisler, EM denklemlerini sabit elemanlara (ya da parçalanmış elemanlara) dönüştürmenin bir yolunu bulmuşlardı, böylece çalışmayı kolaylaştıracak şekilde ohm-yasa modellerine dahil edilebilirler. Antenlerde olduğu gibi, orada hiçbir yere gitmeyen bir metal parçasından çok daha fazlası olabilir.

Bu gerçekten de Q’ya cevap vermiyor, ama bazı derin metin açıklamalarının aksine, benim için bir dipol (anten) ve - nasıl yayılabildiği gibi - LC devresini anlamaktan geldi https://en.wikipedia.org/wiki /File:LC_parallel_simple.svg

Bu basit animasyonu gördükten sonra ("Dipol nasıl oluşur"):

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

Bu, bir ton metinden farklı olarak gerçekten göz açıcı oldu.

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

Bir anten içerisindeki kablodan geçen akımların ışık hızının sonlu olduğu ve antenin sıfır olmayan bir boyutu (anten tasarım frekansındaki ışık hızına göre) olduğu gibi sıfır kapasitans. Temel fizik

Işığın sonlu olma hızı nedeniyle, sıfır uzunlukta olmayan bir kablonun bir ucu farklı voltajda olabilir ve diğer ucundan farklı bir yüke sahip olabilir, çünkü ışığın hızı anında eşitlenmelerini önler. Biraz zaman gerekecektir (her bir tel ayağı için bir nanosaniye civarında veya metre başına yaklaşık 3 nS, belki biraz daha yavaş).

Bir aküyü bir kabloya bağladığınızı, akımın veya elektronların bir ucundan diğerine aktığını söyleyin. Peki ya tel çok uzun sürerse, ışığın hızının bir uçtan diğer uca ulaşması için 0,25 us der? Daha sonra akım bir uçtan akmaya başlarsa, akım 0.25 usS'ye kadar akünün telin diğer ucundan aküye akıp akmadığını gerçekten "bilemez".

Bu nedenle, bir kablonun yalnızca bir ucunu bir voltaj kaynağına bağlarsanız, akım akmaya başlar ve kablonun diğer ucuna ulaştığında, kablonun uzak ucunu şarj eder; gidecek başka bir yer yok (zıt pil terminali bulunamadı). Ancak, yakın ucu DC bataryası yerine 1 MHz osilatörle sürüyorsanız, uzak uç şarj edilirken yakın uç hızlı bir şekilde gerilimi değiştirir, tam o anda kapasitörün boşalması için bu şarjın besleme noktasına geri dönmesi için).

Telin bu sonlu uzunluğu da endüktansa sahiptir. Bu endüktans, ters EMF'ye telin ilerleyen şarjına direnç göstermesine neden olacaktır. Bu direnç telde enerji kaybına neden olur ve enerjinin korunumu, bu enerjiyi ışık hızında antenden uzaklaşan ve herhangi bir karşı dalgadan daha hızlı (telin ters yönündeki şarj nedeniyle) koyar. yakalamak ve iptal edebilirsiniz. Bu alternatif EM alan önleri, antenin yakın alanından yayıldıkları için standart RF dalgalarına dönüşür.

Devrenin negatif kutbu diğer yarım dipolün en ucudur, tersine şarj edilir ve boşaltılır. Veya, dikey bir tek kutuplu anten durumunda, seyyare yerküre (ve / veya topraklama kablosu, telsiz kutusu, eliniz, sonunda tüm evren), kapasitörün zıt plakası olur.

Sanırım bu yaklaşım tamamen doğru olmasa da yardımcı olabilir. Bir batarya hayal etmeye çalışın ve açık uçlu terminallerine bağlı 2 kablo bitti. Aküde güçlü bir güç var. Bu, bataryada bir elektrik alanı olduğu anlamına gelir, şimdi bu alan bağlı kablodan geçer, aynı potansiyel elde edilinceye kadar ilgili uçlarda + ve - ve aşırı yüklerin birikmesine neden olur, bu batarya potansiyeli değişinceye kadar kalır. Şimdi her iki açık ucu, Batarya ile aynı potansiyeldedir. Şimdi eğer pilin potansiyelini arttırırsam, potansiyel olarak dengelenene kadar biraz daha fazla şarj bitecek. Potansiyeli düşürdüğümde bazı suçlamalar geri çekilecek. Ücretlerin hareketi kısa bir süre için olsa da. Bir AC voltajı uygulandığında bu hareket sürekli olur, Yüklerin etkili şekilde salınması ve dolayısıyla EM dalgalarının üretilmesi. Bu yardımcı olur umarım :)

Radyasyon ve Anten Mekanizması

Radyo dalgaları atmosferde alternatif akım olarak görünmez. Işık dalgaları atmosferdeki değişken alternatif akımdır.

Anten, bir elektrik akımı terminalidir; Bir antenden geçen hiçbir akım yoktur, sadece voltaj giriş akımı ile salınır. Verici antenindeki bu salınım voltajı havada alternatif bir akımı indükler, anten yüzeyinden uzaklaşarak 90 derecelik bir açıyla yayılır, alıcı antene ulaşmak ve içinde salınım voltajını indüklemek için havadan geçer.

İşlemde, anten bir balon gibidir, akım hava gibidir ve voltaj hava basıncı gibidir.

Hava balonun içine ve dışına pompalanırken, balondaki basınç değişmeye ve havada boylamasına ses dalgaları üretmeye devam edecektir.

Benzer şekilde, elektronlar antenin içine ve dışına pompalarken, antendeki voltaj değişmeye ve havada uzunlamasına elektrostatik dalgalar üretmeye devam edecektir. Bu aslında havadaki alternatif akımdır.

Vakum boşluğunda, Coulomb'un gücü elektrik enerjisinin iletkenidir. Anten yüzeylerinde bulunan görüş elektronları, sürekli olarak Coulomb'un gücü ile birbirlerini itmektedirler. F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2.

Bu itme kuvveti, kütle ve gövdesi olmayan sert bir çubuk gibi hareket eder ve anında iki antenin arasında serbestçe ileri ve geri elektrik enerjisi iletir.

Her bir elinde bir mıknatısı tutun, aynı kutuplar birbirine bakacak şekilde. Güçlü itme kuvvetini hissediyor musunuz? Evet. Bir elinizi içeri ve dışarı sallayın. Anında diğerine aktarılan kinetik enerjiyi hissediyor musunuz? Evet. İki el aynı frekansta mı sallanıyor? Evet. İki el arasında hareket eden manyetik bir dalga var mı? Yok hayır.

İtme manyetik kuvveti, iki el arasında kinetik enerjinin iletkenidir ve kinetik enerjinin anında serbestçe aktarılmasını sağlar. Bu fenomene manyetik radyasyon diyebiliriz.

Elektronları mıknatıslar yerine elimizde tutarsak, elektrostatik radyasyondur, bu, bilim adamları tarafından elektromanyetik radyasyonun yanlış yorumlanmasıdır.

Alternatif akım yönü daima anten yüzeyine diktir ve havada uzunlamasına bir dalga olarak yayılır.