Калі гаворка ідзе праантэны, пытанне, якое найбольш хвалюе людзей, гэта «Як насамрэч дасягаецца выпраменьванне?» Як электрамагнітнае поле, якое генеруецца крыніцай сігналу, распаўсюджваецца па лініі перадачы і ўнутры антэны, і, нарэшце, «аддзяляецца» ад антэны, утвараючы хвалю ў свабоднай прасторы.
1. Выпраменьванне па адным провадзе
Дапусцім, што шчыльнасць зарада, выражаная як qv (кулон/м3), раўнамерна размеркавана ў круглым дроце з плошчай папярочнага сячэння a і аб'ёмам V, як паказана на малюнку 1.
Малюнак 1
Поўны зарад Q у аб'ёме V рухаецца ў напрамку z з раўнамернай хуткасцю Vz (м/с). Можна даказаць, што шчыльнасць току Jz на папярочным сячэнні драты роўная:
Jz = qv vz (1)
Калі провад зроблены з ідэальнага правадніка, то шчыльнасць току Js на яго паверхні роўная:
Js = qs vz (2)
Дзе qs — павярхоўная шчыльнасць зарада. Калі дрот вельмі тонкі (у ідэале радыус роўны 0), сілу току ў дроце можна выразіць як:
Iz = ql vz (3)
Дзе ql (кулон/метр) — зарад на адзінку даўжыні.
Мы ў асноўным маем справу з тонкімі правадамі, і высновы дастасоўныя да трох вышэйзгаданых выпадкаў. Калі ток змяняецца ў часе, вытворная формулы (3) адносна часу мае наступны выгляд:
(4)
az — паскарэнне зарада. Калі даўжыня дроту роўная l, (4) можна запісаць наступным чынам:
(5)
Раўнанне (5) — гэта асноўная залежнасць паміж токам і зарадам, а таксама асноўная залежнасць электрамагнітнага выпраменьвання. Проста кажучы, для ўзнікнення выпраменьвання павінен быць зменны ў часе ток або паскарэнне (ці запаволенне) зарада. Звычайна мы згадваем ток у прымяненнях, звязаных з гармонікамі ў часе, а зарад часцей за ўсё згадваецца ў пераходных прымяненнях. Каб выклікаць паскарэнне (ці запаволенне) зарада, провад павінен быць сагнутым, складзеным і перарывістым. Калі зарад вагаецца ў гармонічным руху ў часе, ён таксама будзе ствараць перыядычнае паскарэнне (ці запаволенне) зарада або зменны ў часе ток. Такім чынам:
1) Калі зарад не рухаецца, току і выпраменьвання не будзе.
2) Калі зарад рухаецца з пастаяннай хуткасцю:
а. Калі провад прамы і бясконцай даўжыні, выпраменьвання няма.
б. Калі дрот сагнуты, складзены або перарваны, як паказана на малюнку 2, то назіраецца выпраменьванне.
3) Калі зарад вагаецца з цягам часу, ён будзе выпраменьваць, нават калі провад прамы.
Малюнак 2
Якаснае разуменне механізму выпраменьвання можна атрымаць, разгледзеўшы імпульсную крыніцу, падлучаную да адкрытага провада, які можна зазямліць праз нагрузку на яго адкрытым канцы, як паказана на малюнку 2(d). Калі провад першапачаткова знаходзіцца пад напругай, зарады (свабодныя электроны) у провадзе прыводзяцца ў рух лініямі электрычнага поля, якія генеруюцца крыніцай. Па меры таго, як зарады паскараюцца на канцы провада з крыніцай і запавольваюцца (адмоўнае паскарэнне адносна першапачатковага руху) пры адлюстраванні на яго канцы, на яго канцах і ўздоўж астатняй часткі провада генеруецца поле выпраменьвання. Паскарэнне зарадаў дасягаецца знешняй крыніцай сілы, якая прыводзіць зарады ў рух і стварае адпаведнае поле выпраменьвання. Запаволенне зарадаў на канцах провада дасягаецца ўнутранымі сіламі, звязанымі з індукаваным полем, якое выклікана назапашваннем канцэнтраваных зарадаў на канцах провада. Унутраныя сілы атрымліваюць энергію ад назапашвання зарада, калі яго хуткасць памяншаецца да нуля на канцах провада. Такім чынам, паскарэнне зарадаў з-за ўзбуджэння электрычнага поля і запаволенне зарадаў з-за разрыву або плаўнай крывой імпедансу драты з'яўляюцца механізмамі генерацыі электрамагнітнага выпраменьвання. Нягледзячы на тое, што і шчыльнасць току (Jc), і шчыльнасць зарада (qv) з'яўляюцца членамі крыніцы ў раўнаннях Максвела, зарад лічыцца больш фундаментальнай велічынёй, асабліва для пераходных палёў. Нягледзячы на тое, што гэтае тлумачэнне выпраменьвання ў асноўным выкарыстоўваецца для пераходных станаў, яго таксама можна выкарыстоўваць для тлумачэння стацыянарнага выпраменьвання.
Рэкамендую некалькі выдатныхантэнныя вырабывырабленаRFMISO:
RM-ТКР406.4
RM-БКА082-4 (0,8–2 ГГц)
RM-SWA910-22 (9-10 ГГц)
2. Двухправадное выпраменьванне
Падключыце крыніцу напружання да двухправадной лініі перадачы, падлучанай да антэны, як паказана на малюнку 3(а). Падача напружання на двухправадную лінію стварае электрычнае поле паміж праваднікамі. Лініі электрычнага поля дзейнічаюць на свабодныя электроны (якія лёгка аддзяляюцца ад атамаў), падлучаныя да кожнага правадніка, і прымушаюць іх рухацца. Рух зарадаў генеруе ток, які, у сваю чаргу, стварае магнітнае поле.
Малюнак 3
Мы прынялі, што лініі электрычнага поля пачынаюцца з дадатных зарадаў і заканчваюцца адмоўнымі зарадамі. Вядома, яны таксама могуць пачынацца з дадатных зарадаў і заканчвацца на бясконцасці; або пачынацца на бясконцасці і заканчвацца адмоўнымі зарадамі; або ўтвараць замкнёныя контуры, якія не пачынаюцца і не заканчваюцца ніякімі зарадамі. Лініі магнітнага поля заўсёды ўтвараюць замкнёныя контуры вакол праваднікоў з токам, таму што ў фізіцы няма магнітных зарадаў. У некаторых матэматычных формулах эквівалентныя магнітныя зарады і магнітныя токі ўводзяцца, каб паказаць дваістасць паміж рашэннямі, якія ўключаюць крыніцы энергіі і магнітныя крыніцы.
Лініі электрычнага поля, праведзеныя паміж двума праваднікамі, дапамагаюць паказаць размеркаванне зарада. Калі выказаць здагадку, што крыніца напружання мае сінусаідальную форму, то можна чакаць, што электрычнае поле паміж праваднікамі таксама будзе сінусаідальным з перыядам, роўным перыяду крыніцы. Адносная велічыня напружанасці электрычнага поля прадстаўлена шчыльнасцю ліній электрычнага поля, а стрэлкі паказваюць адносны кірунак (станоўчы або адмоўны). Генерацыя зменных у часе электрычных і магнітных палёў паміж праваднікамі ўтварае электрамагнітную хвалю, якая распаўсюджваецца ўздоўж лініі перадачы, як паказана на малюнку 3(а). Электрамагнітная хваля ўваходзіць у антэну з зарадам і адпаведным токам. Калі выдаліць частку канструкцыі антэны, як паказана на малюнку 3(б), хваля ў свабоднай прасторы можа быць сфарміравана шляхам «злучэння» адкрытых канцоў ліній электрычнага поля (паказаны пункцірнымі лініямі). Хваля ў свабоднай прасторы таксама з'яўляецца перыядычнай, але кропка пастаяннай фазы P0 рухаецца вонкі з хуткасцю святла і праходзіць адлегласць λ/2 (да P1) за палову перыяду часу. Паблізу антэны кропка P0 з пастаяннай фазай рухаецца хутчэй за хуткасць святла і набліжаецца да хуткасці святла ў кропках, далёкіх ад антэны. На малюнку 4 паказана размеркаванне электрычнага поля антэны λ/2 у вольнай прасторы пры t = 0, t/8, t/4 і 3T/8.
Малюнак 4. Размеркаванне электрычнага поля ў вольнай прасторы антэны λ/2 пры t = 0, t/8, t/4 і 3T/8
Невядома, як накіраваныя хвалі аддзяляюцца ад антэны і ў рэшце рэшт фармуюцца для распаўсюджвання ў свабоднай прасторы. Мы можам параўнаць накіраваныя хвалі ў свабоднай прасторы з воднымі хвалямі, якія могуць быць выкліканыя каменем, упушчаным у спакойную ваду, або іншымі спосабамі. Як толькі пачынаецца ўзнікненне абурэння ў вадзе, генеруюцца водныя хвалі і пачынаюць распаўсюджвацца вонкі. Нават калі абурэнне спыняецца, хвалі не спыняюцца, а працягваюць распаўсюджвацца наперад. Калі абурэнне працягваецца, пастаянна генеруюцца новыя хвалі, і распаўсюджванне гэтых хваль адстае ад распаўсюджвання іншых хваль.
Гэта ж тычыцца і электрамагнітных хваль, якія ўзнікаюць у выніку электрычных перашкод. Калі першапачатковыя электрычныя перашкоды ад крыніцы маюць кароткі тэрмін, электрамагнітныя хвалі, якія ўзнікаюць, распаўсюджваюцца ўнутры лініі перадачы, затым трапляюць у антэну і, нарэшце, выпраменьваюцца як хвалі ў свабоднай прасторы, нават калі ўзбуджэння больш няма (гэтак жа, як і хвалі на вадзе і створаныя імі перашкоды). Калі электрычныя перашкоды бесперапынныя, электрамагнітныя хвалі існуюць бесперапынна і ідуць за імі падчас распаўсюджвання, як паказана на біканічнай антэне, паказанай на малюнку 5. Калі электрамагнітныя хвалі знаходзяцца ўнутры ліній перадачы і антэн, іх існаванне звязана з існаваннем электрычнага зарада ўнутры правадніка. Аднак, калі хвалі выпраменьваюцца, яны ўтвараюць замкнёную пятлю, і няма зарада, які б падтрымліваў іх існаванне. Гэта прыводзіць нас да высновы, што:
Узбуджэнне поля патрабуе паскарэння і запаволення зарада, але падтрыманне поля не патрабуе паскарэння і запаволення зарада.
Малюнак 5
3. Дыпольнае выпраменьванне
Мы паспрабуем растлумачыць механізм, з дапамогай якога лініі электрычнага поля адрываюцца ад антэны і ўтвараюць хвалі ў вольнай прасторы, і возьмем дыпольную антэну ў якасці прыкладу. Нягледзячы на спрошчанае тлумачэнне, яно таксама дазваляе людзям інтуітыўна ўбачыць генерацыю хваль у вольнай прасторы. На малюнку 6(а) паказаны лініі электрычнага поля, якія ўтвараюцца паміж двума плечамі дыполя, калі лініі электрычнага поля рухаюцца вонкі на λ/4 у першай чвэрці цыклу. Для гэтага прыкладу дапусцім, што колькасць утвораных ліній электрычнага поля роўная 3. У наступнай чвэрці цыклу першапачатковыя тры лініі электрычнага поля зрушваюцца яшчэ на λ/4 (усяго на λ/2 ад пачатковай кропкі), і шчыльнасць зарада на правадніку пачынае памяншацца. Можна лічыць, што яна ўтвараецца ў выніку ўвядзення процілеглых зарадаў, якія кампенсуюць зарады на правадніку ў канцы першай паловы цыклу. Лініі электрычнага поля, якія ўтвараюцца процілеглымі зарадамі, роўныя 3 і зрушваюцца на адлегласць λ/4, што паказана пункцірнымі лініямі на малюнку 6(б).
Канчатковы вынік заключаецца ў тым, што на першай адлегласці λ/4 ёсць тры лініі электрычнага поля, накіраваныя ўніз, і такая ж колькасць ліній электрычнага поля, накіраваных уверх, на другой адлегласці λ/4. Паколькі на антэне няма сумарнага зарада, лініі электрычнага поля павінны быць вымушаны аддзяліцца ад правадніка і аб'яднацца разам, каб утварыць замкнёную пятлю. Гэта паказана на малюнку 6(c). У другой палове адбываецца той жа фізічны працэс, але звярніце ўвагу, што кірунак процілеглы. Пасля гэтага працэс паўтараецца і працягваецца бясконца, утвараючы размеркаванне электрычнага поля, падобнае да малюнка 4.
Малюнак 6
Каб даведацца больш пра антэны, наведайце:
Час публікацыі: 20 чэрвеня 2024 г.
