Quando si tratta diantenne, la domanda che preoccupa maggiormente le persone è "Come si ottengono effettivamente le radiazioni?"In che modo il campo elettromagnetico generato dalla sorgente del segnale si propaga attraverso la linea di trasmissione e all'interno dell'antenna, per poi "separarsi" dall'antenna per formare un'onda spaziale libera.
1. Radiazione a filo singolo
Supponiamo che la densità di carica, espressa come qv (Coulomb/m3), sia distribuita uniformemente in un filo circolare con un'area della sezione trasversale a e un volume V, come mostrato nella Figura 1.
Figura 1
La carica totale Q nel volume V si muove nella direzione z con una velocità uniforme Vz (m/s).Si può dimostrare che la densità di corrente Jz sulla sezione del filo è:
Jz = qvvz （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 tariffa per unità di lunghezza.
Ci occupiamo principalmente di fili sottili e le conclusioni si applicano ai tre casi precedenti.Se la corrente è variabile 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, la (4) può essere scritta come segue:
（5）
L'equazione (5) è la relazione fondamentale tra corrente e carica, nonché la relazione fondamentale tra la radiazione elettromagnetica.In parole povere, per produrre radiazione, è necessaria una corrente o un’accelerazione (o decelerazione) di carica variabile nel tempo.Solitamente menzioniamo la corrente nelle applicazioni tempo-armoniche e la carica è più spesso menzionata nelle applicazioni transitorie.Per produrre un'accelerazione (o decelerazione) della carica, il filo deve essere piegato, piegato e discontinuo.Quando la carica oscilla in movimento armonico nel tempo, produrrà anche un'accelerazione (o decelerazione) periodica della carica o una corrente variabile nel tempo.Perciò:
1) Se la carica non si muove non ci sarà corrente né radiazione.
2) Se la carica si muove a velocità costante:
UN.Se il filo è diritto e di lunghezza infinita non vi è radiazione.
B.Se il filo è piegato, piegato o discontinuo, come mostrato nella Figura 2, c'è radiazione.
3) Se la carica oscilla nel tempo, la carica si irradierà anche se il filo è diritto.
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 nella Figura 2 (d).Quando il filo viene inizialmente energizzato, le cariche (elettroni liberi) nel filo vengono messe in movimento dalle linee del campo elettrico generate dalla sorgente.Poiché le cariche vengono accelerate all'estremità sorgente del filo e decelerate (accelerazione negativa rispetto al movimento originale) quando riflesse alla sua estremità, viene generato un campo di radiazione alle sue estremità e lungo il resto del filo.L'accelerazione delle cariche è ottenuta da una fonte esterna di forza che mette in movimento le cariche e produce il campo di radiazione associato.La decelerazione delle cariche alle estremità del filo è ottenuta da forze interne associate al campo indotto, causato dall'accumulo di cariche concentrate alle estremità del filo.Le forze interne guadagnano energia dall'accumulo di carica mentre 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 curva uniforme dell'impedenza del filo sono i meccanismi di 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 quantità più fondamentale, specialmente 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
Collegare una sorgente di tensione a una linea di trasmissione a due conduttori collegata a un'antenna, come mostrato nella Figura 3 (a).L'applicazione della tensione alla linea bifilare 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 inizino con cariche positive e terminino con cariche negative.Naturalmente possono anche iniziare con cariche positive e terminare all'infinito;oppure iniziare all'infinito e terminare con cariche negative;o formare circuiti chiusi che non iniziano né finiscono con alcuna addebito.Le linee del campo magnetico formano sempre anelli chiusi attorno ai conduttori che trasportano corrente perché in fisica non ci sono cariche magnetiche.In alcune formule matematiche vengono introdotte cariche magnetiche equivalenti e correnti magnetiche per mostrare la dualità tra soluzioni che coinvolgono energia e sorgenti magnetiche.
Le linee del campo elettrico tracciate tra due conduttori aiutano a mostrare la distribuzione della carica.Se assumiamo che la sorgente di tensione sia sinusoidale, ci aspettiamo che anche il campo elettrico tra i conduttori sia sinusoidale con un periodo uguale a quello della sorgente.L'entità relativa dell'intensità 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 nella 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 nella Figura 3(b), è possibile formare un'onda nello spazio libero "collegando" le estremità aperte delle linee del campo elettrico (mostrate dalle linee tratteggiate).Anche l'onda dello spazio libero è periodica, ma il punto P0 a fase costante si muove verso l'esterno alla velocità della luce e percorre una distanza di λ/2 (fino a P1) in metà periodo di tempo.Vicino all'antenna, il punto a fase costante P0 si muove più velocemente della velocità della luce e si avvicina alla velocità della luce nei punti 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 è noto come le onde guidate vengano separate dall'antenna ed eventualmente formate per propagarsi nello spazio libero.Possiamo paragonare le onde spaziali guidate e libere alle onde dell'acqua, che possono essere causate da una pietra lasciata cadere in uno specchio d'acqua calmo o in altri modi.Una volta che inizia il disturbo nell'acqua, si generano onde d'acqua che iniziano a propagarsi verso l'esterno.Anche se il disturbo cessa, le onde non si fermano ma continuano a propagarsi in avanti.Se il disturbo persiste, si generano costantemente nuove onde, e la propagazione di queste onde ritarda rispetto alle altre onde.
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, poi entrano nell'antenna, ed infine si irradiano come onde spaziali libere, anche se l'eccitazione non è più presente (esattamente come le onde dell'acqua e il disturbo che hanno creato).Se il disturbo elettrico è continuo, le onde elettromagnetiche esistono continuamente e le seguono da vicino durante la propagazione, come mostrato nell'antenna biconica mostrata nella Figura 5. Quando le onde elettromagnetiche si trovano all'interno di linee di trasmissione e antenne, la loro esistenza è legata all'esistenza di carica all'interno del conduttore.Tuttavia, quando le onde vengono irradiate, formano un circuito chiuso e non vi è alcuna carica che ne mantenga l'esistenza.Ciò ci porta alla conclusione che:
L'eccitazione del campo richiede l'accelerazione e la decelerazione della carica, ma il mantenimento del campo non richiede l'accelerazione e la decelerazione della carica.
Figura 5
3. Radiazione dipolare
Cerchiamo di spiegare il meccanismo attraverso il quale le linee del campo elettrico si staccano dall'antenna e formano onde nello spazio libero, prendendo come esempio l'antenna a dipolo.Sebbene sia una spiegazione semplificata, consente anche alle persone di vedere in modo intuitivo la generazione delle onde dello 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, supponiamo 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 iniziale), e la densità di carica sul conduttore inizia a diminuire.Si può considerare formato dall'introduzione di cariche opposte, che annullano le cariche presenti sul conduttore alla fine della prima metà del ciclo.Le linee del campo elettrico generate dalle cariche opposte sono 3 e si muovono per una distanza di λ∕4, rappresentata dalle linee tratteggiate nella Figura 6(b).
Il risultato finale è che ci sono tre linee del campo elettrico rivolte verso il basso nella prima distanza λ∕4 e lo stesso numero di linee del campo elettrico verso l’alto nella seconda distanza λ∕4.Poiché non c'è carica netta sull'antenna, le linee del campo elettrico devono essere costrette a separarsi dal conduttore e combinarsi insieme per formare un anello chiuso.Ciò è mostrato nella Figura 6 (c).Nella seconda metà si segue lo stesso processo fisico, ma si noti che la direzione è opposta.Successivamente, il processo viene ripetuto e continua indefinitamente, formando una distribuzione del campo elettrico simile alla Figura 4.
Figura 6
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Orario di pubblicazione: 20 giugno 2024
