Quando si tratta diantenneLa domanda che più preoccupa le persone è: "Come viene effettivamente ottenuta la radiazione?". Come fa il campo elettromagnetico generato dalla sorgente del segnale a propagarsi attraverso la linea di trasmissione e all'interno dell'antenna, per poi "separarsi" dall'antenna e formare un'onda nello spazio libero?
1. Radiazione a filo singolo
Supponiamo che la densità di carica, espressa come qv (Coulomb/m3), sia distribuita uniformemente in un filo circolare con area della sezione trasversale di a e volume di V, come mostrato in Figura 1.
Figura 1
La carica totale Q nel volume V si muove nella direzione z a velocità uniforme Vz (m/s). Si può dimostrare che la densità di corrente Jz sulla sezione trasversale del filo è:
Jz = qv vz （1）
Se il filo è costituito da un conduttore ideale, la densità di corrente Js sulla superficie del filo è:
Js = qs vz （2）
Dove qs è la densità di carica superficiale. Se il filo è molto sottile (idealmente, il raggio è 0), la corrente nel filo può essere espressa come:
Iz = ql vz (3)
Dove ql (coulomb/metro) è la carica per unità di lunghezza.
Ci occupiamo principalmente di fili sottili e le conclusioni si applicano ai tre casi precedenti. Se la corrente varia nel tempo, la derivata della formula (3) rispetto al tempo è la seguente:
(4)
az è l'accelerazione della carica. Se la lunghezza del filo è l, (4) può essere scritta come segue:
(5)
L'equazione (5) rappresenta la relazione fondamentale tra corrente e carica, nonché la relazione fondamentale della radiazione elettromagnetica. In parole povere, per produrre radiazione, è necessaria una corrente variabile nel tempo o un'accelerazione (o decelerazione) della carica. Di solito si parla di corrente nelle applicazioni armoniche nel tempo, mentre la carica viene menzionata più spesso nelle applicazioni transitorie. Per produrre un'accelerazione (o decelerazione) della carica, il filo deve essere piegato, ripiegato e discontinuo. Quando la carica oscilla in un moto armonico nel tempo, produrrà anche un'accelerazione (o decelerazione) periodica della carica o una corrente variabile nel tempo. Pertanto:
1) Se la carica non si muove, non ci sarà corrente né radiazione.
2) Se la carica si muove a velocità costante:
a. Se il filo è dritto e di lunghezza infinita, non c'è radiazione.
b. Se il filo è piegato, ripiegato o discontinuo, come mostrato nella Figura 2, si verifica una radiazione.
3) Se la carica oscilla nel tempo, la carica irradierà anche se il filo è dritto.
Figura 2
Una comprensione qualitativa del meccanismo di radiazione può essere ottenuta osservando una sorgente pulsata collegata a un filo aperto che può essere messo a terra tramite un carico alla sua estremità aperta, come mostrato in Figura 2(d). Quando il filo viene inizialmente energizzato, le cariche (elettroni liberi) al suo interno vengono messe in moto dalle linee di campo elettrico generate dalla sorgente. Quando le cariche vengono accelerate all'estremità sorgente del filo e deceleratrici (accelerazione negativa rispetto al moto originale) quando vengono riflesse alla sua estremità, si genera un campo di radiazione alle sue estremità e lungo il resto del filo. L'accelerazione delle cariche è ottenuta da una sorgente di forza esterna che le mette in moto e produce il campo di radiazione associato. La decelerazione delle cariche alle estremità del filo è ottenuta dalle forze interne associate al campo indotto, causato dall'accumulo di cariche concentrate alle estremità del filo. Le forze interne acquisiscono energia dall'accumulo di carica man mano che la sua velocità diminuisce fino a zero alle estremità del filo. Pertanto, l'accelerazione delle cariche dovuta all'eccitazione del campo elettrico e la decelerazione delle cariche dovuta alla discontinuità o alla curva regolare dell'impedenza del filo sono i meccanismi per la generazione della radiazione elettromagnetica. Sebbene sia la densità di corrente (Jc) che la densità di carica (qv) siano termini sorgente nelle equazioni di Maxwell, la carica è considerata una grandezza più fondamentale, soprattutto per i campi transitori. Sebbene questa spiegazione della radiazione sia utilizzata principalmente per gli stati transitori, può essere utilizzata anche per spiegare la radiazione in stato stazionario.
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2. Radiazione a due fili
Collegate un generatore di tensione a una linea di trasmissione a due conduttori collegata a un'antenna, come mostrato in Figura 3(a). Applicando una tensione alla linea a due fili si genera un campo elettrico tra i conduttori. Le linee del campo elettrico agiscono sugli elettroni liberi (facilmente separabili dagli atomi) collegati a ciascun conduttore e li costringono a muoversi. Il movimento delle cariche genera corrente, che a sua volta genera un campo magnetico.
Figura 3
Abbiamo accettato che le linee del campo elettrico partano da cariche positive e terminino con cariche negative. Naturalmente, possono anche partire da cariche positive e terminare all'infinito; oppure partire dall'infinito e terminare con cariche negative; oppure formare anelli chiusi che non iniziano né terminano con alcuna carica. Le linee del campo magnetico formano sempre anelli chiusi attorno ai conduttori percorsi da corrente perché in fisica non ci sono cariche magnetiche. In alcune formule matematiche, cariche magnetiche equivalenti e correnti magnetiche vengono introdotte per mostrare la dualità tra soluzioni che coinvolgono sorgenti di energia e magnetiche.
Le linee del campo elettrico tracciate tra due conduttori aiutano a mostrare la distribuzione della carica. Se ipotizziamo che il generatore di tensione sia sinusoidale, ci aspettiamo che anche il campo elettrico tra i conduttori sia sinusoidale con un periodo pari a quello del generatore. L'intensità relativa del campo elettrico è rappresentata dalla densità delle linee del campo elettrico e le frecce indicano la direzione relativa (positiva o negativa). La generazione di campi elettrici e magnetici variabili nel tempo tra i conduttori forma un'onda elettromagnetica che si propaga lungo la linea di trasmissione, come mostrato in Figura 3(a). L'onda elettromagnetica entra nell'antenna con la carica e la corrente corrispondente. Se rimuoviamo parte della struttura dell'antenna, come mostrato in Figura 3(b), si può formare un'onda nello spazio libero "collegando" le estremità aperte delle linee del campo elettrico (mostrate dalle linee tratteggiate). Anche l'onda nello spazio libero è periodica, ma il punto a fase costante P0 si muove verso l'esterno alla velocità della luce e percorre una distanza di λ/2 (verso P1) in metà periodo di tempo. In prossimità dell'antenna, il punto a fase costante P0 si muove a una velocità superiore a quella della luce e si avvicina alla velocità della luce nei punti più lontani dall'antenna. La Figura 4 mostra la distribuzione del campo elettrico nello spazio libero dell'antenna λ∕2 a t = 0, t/8, t/4 e 3T/8.
Figura 4 Distribuzione del campo elettrico nello spazio libero dell'antenna λ∕2 a t = 0, t/8, t/4 e 3T/8
Non si sa come le onde guidate si separino dall'antenna e si formino per propagarsi nello spazio libero. Possiamo paragonare le onde guidate e quelle nello spazio libero alle onde d'acqua, che possono essere causate da un sasso lasciato cadere in uno specchio d'acqua calmo o in altri modi. Una volta che la perturbazione nell'acqua inizia, si generano onde d'acqua che iniziano a propagarsi verso l'esterno. Anche se la perturbazione si interrompe, le onde non si fermano, ma continuano a propagarsi in avanti. Se la perturbazione persiste, vengono generate costantemente nuove onde, la cui propagazione è in ritardo rispetto alle altre.
Lo stesso vale per le onde elettromagnetiche generate da disturbi elettrici. Se il disturbo elettrico iniziale proveniente dalla sorgente è di breve durata, le onde elettromagnetiche generate si propagano all'interno della linea di trasmissione, quindi entrano nell'antenna e infine si irradiano come onde nello spazio libero, anche se l'eccitazione non è più presente (proprio come le onde d'acqua e il disturbo che hanno creato). Se il disturbo elettrico è continuo, le onde elettromagnetiche esistono in modo continuo e le seguono da vicino durante la propagazione, come mostrato nell'antenna biconica mostrata in Figura 5. Quando le onde elettromagnetiche si trovano all'interno di linee di trasmissione e antenne, la loro esistenza è legata alla presenza di carica elettrica all'interno del conduttore. Tuttavia, quando le onde vengono irradiate, formano un circuito chiuso e non c'è carica che ne mantenga l'esistenza. Questo ci porta a concludere che:
L'eccitazione del campo richiede l'accelerazione e la decelerazione della carica, ma il mantenimento del campo non richiede accelerazione e decelerazione della carica.
Figura 5
3. Radiazione di dipolo
Cerchiamo di spiegare il meccanismo con cui le linee del campo elettrico si staccano dall'antenna e formano onde nello spazio libero, prendendo come esempio l'antenna dipolo. Sebbene si tratti di una spiegazione semplificata, consente anche di osservare intuitivamente la generazione di onde nello spazio libero. La Figura 6(a) mostra le linee del campo elettrico generate tra i due bracci del dipolo quando le linee del campo elettrico si spostano verso l'esterno di λ∕4 nel primo quarto del ciclo. Per questo esempio, ipotizziamo che il numero di linee del campo elettrico formate sia 3. Nel quarto successivo del ciclo, le tre linee del campo elettrico originali si spostano di altri λ∕4 (per un totale di λ∕2 dal punto di partenza), e la densità di carica sul conduttore inizia a diminuire. Si può considerare che si sia formata per l'introduzione di cariche opposte, che annullano le cariche sul conduttore alla fine della prima metà del ciclo. Le linee del campo elettrico generate dalle cariche opposte sono 3 e si spostano di una distanza di λ∕4, rappresentata dalle linee tratteggiate nella Figura 6(b).
Il risultato finale è che ci sono tre linee di campo elettrico discendente nella prima distanza λ∕4 e lo stesso numero di linee di campo elettrico ascendente nella seconda distanza λ∕4. Poiché non c'è carica netta sull'antenna, le linee di campo elettrico devono essere forzate a separarsi dal conduttore e a combinarsi insieme per formare un circuito chiuso. Questo è mostrato in Figura 6(c). Nella seconda metà, viene seguito lo stesso processo fisico, ma si noti che la direzione è opposta. Successivamente, il processo viene ripetuto e continua indefinitamente, formando una distribuzione di campo elettrico simile a quella della Figura 4.
Figura 6
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Data di pubblicazione: 20 giugno 2024
