Quando si tratta diantenneLa domanda che più preoccupa le persone è: "Come avviene effettivamente 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" da essa 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 un'area della sezione trasversale di a e un volume V, come mostrato in 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 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 sopra descritti. Se la corrente è variabile nel tempo, la derivata della formula (3) rispetto al tempo è la seguente:
(4)
az è l'accelerazione di 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 semplici, per produrre radiazione, deve esserci 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 è più spesso menzionata nelle applicazioni transitorie. Per produrre un'accelerazione (o decelerazione) della carica, il filo deve essere piegato, ripiegato e discontinuo. Quando la carica oscilla con 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 e non ci sarà radiazione.
2) Se la carica si muove a velocità costante:
a. Se il filo è rettilineo 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, essa irradierà energia anche se il filo è rettilineo.
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 alimentato, le cariche (elettroni liberi) nel filo vengono messe in movimento dalle linee di campo elettrico generate dalla sorgente. Poiché le cariche vengono accelerate all'estremità del filo collegata alla sorgente e decelerate (accelerazione negativa rispetto al moto originale) quando vengono riflesse all'estremità, si genera un campo di radiazione alle sue estremità e lungo il resto del filo. L'accelerazione delle cariche è realizzata da una sorgente di forza esterna che mette in movimento le cariche e produce il campo di radiazione associato. La decelerazione delle cariche alle estremità del filo è realizzata da forze interne associate al campo indotto, che è causato dall'accumulo di cariche concentrate alle estremità del filo. Le forze interne acquisiscono energia dall'accumulo di carica quando 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 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, soprattutto per i campi transitori. Sebbene questa spiegazione della radiazione sia utilizzata principalmente per gli stati transitori, può essere impiegata anche per spiegare la radiazione in regime stazionario.
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2. Radiazione a due fili
Collega una sorgente 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 di 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 di 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 ancora formare circuiti chiusi che non iniziano né terminano con alcuna carica. Le linee di campo magnetico formano sempre circuiti chiusi attorno ai conduttori percorsi da corrente perché in fisica non esistono cariche magnetiche. In alcune formule matematiche, vengono introdotte cariche magnetiche e correnti magnetiche equivalenti per mostrare la dualità tra le soluzioni che coinvolgono sorgenti di potenza e sorgenti magnetiche.
Le linee di 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 pari a quello della sorgente. L'intensità relativa del campo elettrico è rappresentata dalla densità delle linee di 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), è possibile formare un'onda nello spazio libero "collegando" le estremità aperte delle linee di campo elettrico (indicate 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 (fino a P1) in mezzo periodo. In prossimità dell'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 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 generate da un sasso lasciato cadere in uno specchio d'acqua calmo o in altri modi. Non appena inizia la perturbazione dell'acqua, si generano onde che iniziano a propagarsi verso l'esterno. Anche se la perturbazione cessa, le onde non si arrestano ma continuano a propagarsi in avanti. Se la perturbazione persiste, vengono costantemente generate nuove onde e la propagazione di queste onde 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, poi entrano nell'antenna e infine si irradiano come onde nello spazio libero, anche se l'eccitazione non è più presente (proprio come le onde dell'acqua e il disturbo che hanno creato). Se il disturbo elettrico è continuo, le onde elettromagnetiche esistono in modo continuo e lo seguono da vicino durante la propagazione, come mostrato nell'antenna biconica illustrata in 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 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 alla conclusione che:
L'eccitazione del campo richiede accelerazione e decelerazione della carica, ma il mantenimento del campo non richiede accelerazione e decelerazione della carica.
Figura 5
3. Radiazione dipolare
Cerchiamo di spiegare il meccanismo con cui le linee di campo elettrico si distaccano dall'antenna e formano onde nello spazio libero, prendendo come esempio un'antenna a dipolo. Sebbene si tratti di una spiegazione semplificata, permette comunque di visualizzare intuitivamente la generazione di onde nello spazio libero. La Figura 6(a) mostra le linee di campo elettrico generate tra i due bracci del dipolo quando le linee di campo elettrico si spostano verso l'esterno di λ/4 nel primo quarto di ciclo. Per questo esempio, supponiamo che il numero di linee di campo elettrico formate sia 3. Nel quarto di ciclo successivo, le tre linee di campo elettrico originali si spostano di un altro 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 ciò avvenga per introduzione di cariche opposte, che annullano le cariche sul conduttore alla fine della prima metà del ciclo. Le linee di campo elettrico generate dalle cariche opposte sono 3 e si spostano di una distanza di λ/4, rappresentate dalle linee tratteggiate nella Figura 6(b).
Il risultato finale è che nella prima distanza λ/4 sono presenti tre linee di campo elettrico dirette verso il basso e nello stesso numero di linee di campo elettrico dirette verso l'alto nella seconda distanza λ/4. Poiché non vi è carica netta sull'antenna, le linee di campo elettrico devono essere forzate a separarsi dal conduttore e a combinarsi per formare un anello chiuso. Questo è mostrato nella Figura 6(c). Nella seconda metà, si ripete lo stesso processo fisico, ma si noti che la direzione è opposta. Dopodiché, il processo si ripete e continua indefinitamente, formando una distribuzione del campo elettrico simile a quella della Figura 4.
Figura 6
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Data di pubblicazione: 20 giugno 2024
