เสาอากาศแผ่กระจายอย่างไร (กระแสไหลผ่านสายอย่างไร)

ฉันไม่เข้าใจว่าเสาอากาศส่งสัญญาณอย่างไร

ฉันเข้าใจเสาอากาศพื้นฐาน (ความยาวคลื่น, สนามอิเล็กตรอน E, ... ) แต่ฉันไม่เข้าใจว่ากระแสไหลผ่านสายที่ไม่มีขั้วลบได้อย่างไร

คุณช่วยอธิบายเรื่องนี้ให้ฉันฟังได้ไหม

ฉันเดาว่าคุณไม่เข้าใจว่ากระแสไหลได้อย่างไรหากไม่มีวงจรสมบูรณ์ ลองดูไดโพลแบบเศษสี่ส่วนอย่างง่ายๆ:

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

กระแสไหลในปัจจุบันได้อย่างไรเนื่องจากไม่มีวงจรสมบูรณ์จาก "-" ถึง "+" ของ V1

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

ทำไมพลังงานที่แผ่ออกมามีความซับซ้อน คำตอบที่ยาวคือ " สมการของ Maxwell " หากคุณไม่ต้องการที่จะเข้าใจรายละเอียดทั้งหมดของคณิตศาสตร์นั่นก็คือความเข้าใจที่เรียบง่ายและไม่สมบูรณ์: กระแสในเสาอากาศมีความสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กและแรงดันไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กับสนามไฟฟ้า เสาอากาศเป็นการจัดเรียงที่ห่างจากเสาอากาศ ( สนามไกล ) ทั้งสองฟิลด์นี้ตั้งฉากกันและอยู่ในเฟสและสิ่งที่คุณได้รับก็คือคลื่นที่แพร่กระจายตัวเองเช่นนี้

สีแดงคือสนามไฟฟ้า (E) และสีน้ำเงินคือสนามแม่เหล็ก (B) นี่คือการเรียงลำดับของคลื่นที่จะถูกปล่อยออกมาโดยไดโพลที่สอดคล้องกับแกน Z

นี่เป็นเวอร์ชั่นที่ธรรมดามากที่ช่วยให้ฉันผ่านความไม่รู้ตัวเองไปเลย

โดยทั่วไปมีเสาอากาศขนาดเล็กสองประเภท: เสาอากาศวงเล็กและเสาอากาศไดโพลสั้น เสาอากาศวนเล็กเป็นเพียงวงแหวนของลวดและกระแสใด ๆ ในสายจะสร้างสนามแม่เหล็กรอบ ๆ เสาอากาศ อุปกรณ์ดังกล่าวเป็นตัวเหนี่ยวนำ แต่มีสนามแม่เหล็กที่มีช่องว่างขนาดใหญ่

ในทางกลับกันเสาอากาศไดโพลสั้นเป็นเพียงแผ่นโลหะ "ตัวเก็บประจุ" ที่ยื่นออกไปในอากาศและหากมีการใช้แรงดันไฟฟ้าข้ามพวกเขาก็จะมีสนามอิเล็กทรอนิกส์ในพื้นที่โดยรอบ อุปกรณ์นี้เป็นเพียงตัวเก็บประจุ แต่ก็มีช่องเติมขนาดใหญ่ในพื้นที่โดยรอบ

ใช้คลื่นไซน์แทนโวลต์หรือกระแสคงที่และฟิลด์รอบ ๆ "เสาอากาศ" จะขยายจากนั้นหดเป็นศูนย์จากนั้นขยายอีกครั้ง แต่ชี้ไปด้านหลัง ... จากนั้นทำซ้ำ ไม่มีการสร้างคลื่นดังนั้นพวกมันจึงไม่ใช่เสาอากาศวิทยุเลย แต่พวกเขากำลังสร้างเขตข้อมูล EM ท้องถิ่นในพื้นที่

นี่คือโครงการวิดีโอ "TEAL" ที่ MIT พร้อมกระบวนการที่เป็นภาพ:

การขยาย / ทำสัญญา b-field หรือ e-field

ตกลง เสาอากาศวนสร้างสนามแม่เหล็กและเสาอากาศไดโพลสร้างสนามไฟฟ้า สิ่งประหลาดเริ่มเกิดขึ้นเมื่อเราขับสายอากาศที่มีความถี่สูงมาก ว่าหรือเราสามารถสร้างรุ่นของเสาอากาศอย่างใดอย่างหนึ่งด้วยเช่นขนาดใหญ่ว่าแม้ 60Hz จะเป็นชนิดของ "สัญญาณวิทยุ" เท่าที่เสาอากาศเป็นห่วง

นี่คือสิ่งที่: สนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้าที่อยู่รอบ ๆ เสาอากาศเหล่านั้นไม่สามารถขยายหรือหดตัวเร็วกว่าความเร็วแสง ดังนั้นจะเกิดอะไรขึ้นถ้าพัลส์ AC ที่ใช้กับอุปกรณ์เหล่านี้ "เร็วเกินไป" เขตข้อมูลรอบตัวเหนี่ยวนำหรือตัวเก็บประจุจะต้องบอลลูนออกไปด้านนอกแล้วดูดกลับเข้าไปใหม่ แต่จะเกิดอะไรขึ้นถ้าความเร็วเกือบความเร็วแสง นั่นคือเมื่อเขตหยุดทำตัวเหมือนพองตัวหรือหดตัวบอลลูนที่มองไม่เห็น แทนที่จะเริ่มทำงานในลักษณะของคลื่น

ดังนั้นเมื่อเรากลับขั้วระหว่างคลื่น AC AC, e-field หรือ b-field จะไม่ถูกดูดกลับเข้ามาเหมือนเดิม แทนที่จะหลุดออกจากเสาอากาศและก็เคลื่อนที่ต่อไป พลังงานสนามบางส่วนไม่ถูกดึงกลับคืนมาและหายไปในอวกาศแทน เสาอากาศวนรอบของเราไม่ได้เป็นเพียงตัวเหนี่ยวนำอีกต่อไปและมันก็เริ่มสร้างคลื่น และไดโพลของเราตอนนี้เป็นตัวปล่อยคลื่นไม่ใช่เป็นเพียงตัวเก็บประจุ

YT vid: ฟิลด์ EM รอบ ๆ เสาอากาศขนาดเล็ก

เป็นคำถามที่ดีมาก! คำตอบที่ซับซ้อน เพื่อให้เข้าใจว่าทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้นโดยไม่มีเส้นทางย้อนกลับ ("ขั้วลบ") คุณจะต้องก้าวข้ามกฎโอห์ม

ค่าใช้จ่ายเร่งทั้งหมดแผ่ ดังนั้นทุกอย่างที่ทำกระแสสลับทำหน้าที่เป็นเสาอากาศ อย่างไรก็ตามบ่อยครั้งที่มันเป็นเสาอากาศที่ไม่ดีและไม่แผ่ออกมาดี เป็นผลให้ด้านนี้มักจะถูกละเว้นเพียงเพื่อลดความซับซ้อนของปัญหา

ในการสร้างเสาอากาศที่ดีคุณจะต้องถ่ายโอนพลังงาน (พลังงานที่มีอยู่ในแรงดันและกระแส) เป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (ซึ่งพลังงานนั้นมีอยู่ในเขต E- และ H-field) ที่เดินทางออกจากเสาอากาศ สิ่งนี้ต้องใช้อิมพีแดนซ์ของเสาอากาศของคุณในการจับคู่อย่างคร่าวๆและกระแสที่ทำให้เกิดการแผ่รังสีเพิ่มขึ้นในเฟสดังนั้นพวกเขาจึงไม่ยกเลิกซึ่งกันและกันเหมือนกับที่อยู่ในสายส่ง ดังที่ Jim Dearden พูดถึงคุณสามารถออกแบบสิ่งนี้เพื่อให้ได้คลื่นนิ่งหรือยกเลิกคลื่นตามความยาวทางกายภาพ

ปัญหาที่เกิดขึ้นกับคำถามของคุณเกี่ยวกับ "ไม่มีขั้วลบ" เกี่ยวข้องกับการใช้แบบจำลองวงจรแบบง่ายที่ไม่เกี่ยวข้องกับมุมมอง 3 มิติและด้านแรงดันและกระแส กระแสสามารถไหลในทุกสิ่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า (เสาหรือไม่มีเสา) คลื่น EM (แม่เหล็กไฟฟ้า) ภายนอกทำเช่นนี้ตลอดเวลา อย่างไรก็ตามไม่มีแบบจำลองโอห์มกฎหมายที่สามารถทำนายสิ่งนี้ได้

ในการก้าวขึ้นจากกฏของ ohms ง่ายๆวิศวกรได้ใช้รูปแบบ "ความต้านทานการแผ่รังสี" สิ่งนี้ถูกนำมาใช้ในลักษณะคล้ายกับความต้านทานมาตรฐานโอห์มมิก ในกฎของโอห์มพลังงานที่กระจายไปจะเปลี่ยนเป็นความร้อน ในแบบจำลองความต้านทานการแผ่รังสีพลังงานที่กระจายออกไปจะกลายเป็นรังสี

ความต้านทานการแผ่รังสีเป็นเพียงเครื่องมือง่าย ๆ ที่จะช่วยให้วิศวกรประเมินองค์ประกอบวงจรที่รู้จักกัน (เช่นโดยทั่วไปแล้ว RF บางตัวคำนวณให้คุณ) โดยไม่ต้องใช้สมการของ Maxwell และใช้ขอบเขตของขอบเขตกับวงจรทางกายภาพเพื่อทำความเข้าใจโหมดรังสี

กุญแจสำคัญที่แท้จริงในการทำความเข้าใจพฤติกรรมของวงจรคือการทำความเข้าใจเมื่อพิจารณาถึงแง่มุมของรังสีที่มีความสำคัญ เมื่อความถี่ของการทำงานของวงจรมีความยาวคลื่นที่ใกล้เคียงกับขนาดของวงจรแล้วกฎของโอห์มก็เริ่มสลายอย่างรวดเร็ว ตามกฎของหัวแม่มือหากอัตราส่วนระหว่างความยาวคลื่นและขนาดวงจรมากกว่า 0.1 คุณต้องใช้สมการของ Maxwell เพื่อทำความเข้าใจว่าวงจรนั้นทำงานอย่างไร ดังนั้นคำว่า "เสาคลื่น" ควรเป็นคำใบ้ที่คุณต้องใช้ทฤษฎี EM เพื่อทำความเข้าใจว่าวงจรทำอะไร

หากคุณมีเวลาลองที่จะแยกแยะบทความนี้ในการทำความเข้าใจ EM รังสี มันถูกออกแบบมาเพื่อครูสอนพิเศษเกี่ยวกับวิธีการที่วงจรสามารถทำงานในลักษณะที่กฎหมายของโอห์มไม่สามารถคาดการณ์ได้ มันมีทฤษฎี EM มากมายอยู่ในนั้น แต่คุณไม่จำเป็นต้องเข้าใจทุกสิ่งที่จะชื่นชมว่ามีการวิเคราะห์วงจรแตกต่างกันมากเมื่อความถี่ในการปฏิบัติการของคุณใกล้เคียงกับขนาดทางกายภาพของวงจรของคุณ

แก้ไข: ฉันแค่คิดถึงตัวอย่างอื่นที่อาจช่วยได้ ตัวเก็บประจุไม่มีเส้นทางกลับพวกมันเป็นเพียงวงจรเปิด แต่อย่างใดพวกมันทำงานใช่ไหม (และตัวเหนี่ยวนำซึ่งเป็นเพียงกางเกงขาสั้น) นี้ใช้งานได้เนื่องจากคุณสมบัติการแผ่รังสีของพวกมันเท่านั้น วิศวกรได้ค้นพบวิธีที่จะเปลี่ยนสมการ EM เป็นองค์ประกอบคงที่ (หรือองค์ประกอบที่มีค่าเป็นก้อน) เพื่อให้พวกเขาสามารถรวมเข้ากับแบบจำลองกฎของโอห์มเพื่อให้ทำงานได้ง่ายขึ้น เช่นเดียวกับเสาอากาศสามารถเกิดขึ้นได้มากกว่าเพียงแค่ชิ้นส่วนของโลหะนั่งอยู่ที่นั่นไม่มีที่ไหนเลย

นี่อาจจะไม่ใช่คำตอบของคำถาม แต่อาจต่างจากคำอธิบายที่น่ากลัวสำหรับฉันที่จะทำความเข้าใจไดโพล (เสาอากาศ) - และวิธีที่มันสามารถเปล่งแสง - มาจากการเข้าใจวงจร LC https://en.wikipedia.org/wiki /File:LC_parallel_simple.svg

หลังจากเห็นภาพเคลื่อนไหวอย่างง่ายนี้ ("รูปแบบไดโพลเป็นอย่างไร"):

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

นั่นเป็นการเปิดตาจริงๆซึ่งแตกต่างจากข้อความจำนวนมาก

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

กระแสไหลผ่านสายในเสาอากาศได้อย่างไรกับความจริงที่ว่าความเร็วของแสงมี จำกัด และเสาอากาศมีขนาดไม่เป็นศูนย์ (เทียบกับความเร็วของแสงที่ความถี่การออกแบบของเสาอากาศ) เช่นเดียวกับที่ไม่ใช่ ศูนย์ความจุ ฟิสิกส์พื้นฐาน

เนื่องจากความเร็วของแสงมีขอบเขต จำกัด ปลายด้านหนึ่งของลวดความยาวที่ไม่เป็นศูนย์สามารถมีแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันและมีประจุที่แตกต่างจากปลายอีกด้านหนึ่ง จะต้องใช้เวลาสักครู่ (ตามคำสั่งของสายนาโนวินาทีสำหรับเท้าแต่ละเส้นหรือประมาณ 3 nS ต่อเมตรอาจช้ากว่าเล็กน้อย)

สมมติว่าคุณเชื่อมต่อสายกับแบตเตอรี่กระแสหรืออิเล็กตรอนไหลในปลายด้านหนึ่งและอีกด้านหนึ่ง แต่ถ้าลวดนั้นใช้เวลานานเท่าไหร่ให้พูดว่า 0.25 uS สำหรับความเร็วของแสงในการเข้าถึงจากปลายด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง จากนั้นหากกระแสเริ่มไหลในปลายด้านหนึ่งกระแสนั้นจะไม่ "รู้" จริงถ้ากระแสไหลออกที่ปลายอีกด้านหนึ่งของสายเข้าแบตเตอรี่จนกระทั่ง 0.25 uS ในภายหลัง

ดังนั้นหากคุณเชื่อมต่อปลายด้านหนึ่งของสายเข้ากับแหล่งจ่ายแรงดันกระแสเริ่มไหลและเมื่อมันมาถึงปลายอีกด้านหนึ่งของสายชาร์จประจุที่ปลายสุดของเส้นลวดเหมือนกับตัวเก็บประจุเนื่องจากไม่มี จะไปที่ไหน (ไม่พบขั้วแบตเตอรี่ตรงข้าม) แต่ถ้าคุณกำลังขับรถใกล้จบด้วย 1 MHz oscillator แทนที่จะเป็นแบตเตอรี่ DC เมื่อถึงเวลาที่ประจุไกลสุดประจุใกล้จะหมุนกลับแรงดันอย่างรวดเร็วทันเวลาที่จะปล่อยประจุ (ใช้เวลา 0.25 uS อีก สำหรับค่าใช้จ่ายในการเดินทางกลับไปที่จุดฟีด)

ความยาวอัน จำกัด ของเส้นลวดนั้นก็มีการเหนี่ยวนำด้วยเช่นกัน การเหนี่ยวนำนั้นจะทำให้ EMF ย้อนกลับต้านทานการเคลื่อนที่ของประจุ ความต้านทานดังกล่าวทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานในสายไฟและการอนุรักษ์พลังงานทำให้พลังงานนั้นเข้าไปในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่วิ่งออกไปจากเสาอากาศที่ความเร็วแสงและเร็วกว่าคลื่นที่มีการตอบโต้ใด ๆ (เกิดจากประจุในทิศทางตรงกันข้าม สามารถติดตามและยกเลิกได้ ส่วนสนาม EM ที่สลับกันนั้นจะเปลี่ยนเป็นคลื่น RF มาตรฐานขณะที่มันแผ่ออกจากสนามใกล้ของเสาอากาศ

ขั้วลบของวงจรคือปลายอีกด้านหนึ่งของไดโพลครึ่งหนึ่งซึ่งถูกประจุและปล่อยกลับขั้ว หรือในกรณีของเสาอากาศโมโนโพลแนวดิ่งดาวเคราะห์โลก (และ / หรือสายกราวด์, เคสวิทยุ, มือของคุณ, ในที่สุดจักรวาลทั้งหมด) ก็กลายเป็นแผ่นตรงข้ามของตัวเก็บประจุ

ฉันเดาว่าวิธีการนี้แม้ว่าการแก้ไขไม่ถูกต้องอาจช่วยได้ ลองจินตนาการว่าแบตเตอรี่และสายไฟ 2 เส้นเชื่อมต่อที่ขั้วของมันเปิดออกแล้ว มีศักยภาพอยู่ในแบตเตอรี่ นั่นหมายความว่ามีสนามไฟฟ้าอยู่ในแบตเตอรี่ขณะนี้เขตข้อมูลนี้ผ่านสายเชื่อมต่อทำให้เกิดการสะสมของ + ve และ -ve ประจุที่ปลายแต่ละด้านจนกว่าจะมีศักยภาพเท่ากันสำเร็จ ตอนนี้ปลายเปิดทั้งสองมีขนาดเท่ากันศักยภาพของแบตเตอรี่ ทีนี้ถ้าฉันเพิ่มศักยภาพของแบตเตอรี่ประจุบางอย่างจะเคลื่อนที่ไปที่ปลายจนประจุสมดุล และเมื่อฉันลดค่าใช้จ่ายที่อาจเกิดขึ้นบางอย่างจะย้ายกลับ แม้ว่าการเคลื่อนที่ของประจุจะเป็นช่วงเวลาสั้น ๆ การเคลื่อนไหวนี้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อมีการใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ สั่นอย่างมีประสิทธิภาพและด้วยเหตุนี้การสร้างคลื่น EM หวังว่าจะช่วย :)

กลไกการแผ่รังสีและเสาอากาศ

คลื่นวิทยุเป็นกระแสสลับที่มองไม่เห็นในชั้นบรรยากาศ คลื่นแสงเป็นกระแสสลับที่มองเห็นได้ในชั้นบรรยากาศ

เสาอากาศเป็นขั้วของกระแสไฟฟ้า ไม่มีกระแสไฟฟ้าผ่านเสาอากาศเพียงแรงดันจะแกว่งเมื่อมีกระแสอินพุต แรงดันไฟฟ้าสั่นนี้ในเสาอากาศเครื่องส่งสัญญาณทำให้เกิดกระแสสลับในอากาศแพร่กระจายออกไปจากพื้นผิวของเสาอากาศในมุม 90 องศาผ่านอากาศเพื่อไปถึงเสาอากาศรับสัญญาณและทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสั่นอยู่ในนั้น

ในกระบวนการเสาอากาศนั้นมีลักษณะเหมือนบอลลูนกระแสเป็นเหมือนอากาศและแรงดันไฟฟ้าเป็นเหมือนแรงดันอากาศ

เมื่อมีการสูบลมเข้าและออกจากบอลลูนความดันในบอลลูนจะเปลี่ยนไปและทำให้เกิดคลื่นเสียงตามยาวในอากาศ

ในทำนองเดียวกันเมื่ออิเล็กตรอนกำลังสูบเข้าและออกจากเสาอากาศแรงดันไฟฟ้าในเสาอากาศจะเปลี่ยนแปลงและสร้างคลื่นไฟฟ้าสถิตตามยาวในอากาศ นี่คือความจริงแล้วเป็นการสลับกระแสในอากาศ

ในพื้นที่สูญญากาศพลังของคูลอมบ์เป็นตัวนำพลังงานไฟฟ้า อิเล็กตรอนที่มองเห็นบนพื้นผิวของเสาอากาศนั้นจะต้านทานซึ่งกันและกันอย่างต่อเนื่องโดยแรงของคูลอมบ์ F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2

แรงขับดันนี้ทำหน้าที่เป็นแท่งแข็งที่ไม่มีมวลและร่างกายและถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าได้อย่างอิสระไปมาระหว่างเสาอากาศทั้งสอง

ถือแม่เหล็กในมือแต่ละข้างโดยให้ขั้วเดียวกันหันเข้าหากัน คุณรู้สึกถึงแรงผลักที่แข็งแกร่งหรือไม่? ใช่. โบกมือเข้าและออก รู้สึกถึงพลังงานจลน์ที่ถ่ายโอนไปยังมืออื่น ๆ ทันทีหรือไม่ ใช่. มือทั้งสองโบกสะบัดที่ความถี่เดียวกันหรือไม่? ใช่. มีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ระหว่างสองมือหรือไม่? เลขที่

แรงแม่เหล็กแรงผลักเป็นตัวนำของพลังงานจลน์ระหว่างมือทั้งสองทำให้พลังงานจลน์สามารถถ่ายโอนได้อย่างอิสระทันที เราสามารถเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าการแผ่รังสีแม่เหล็ก

ถ้าเราถืออิเล็กตรอนไว้ในมือแทนที่จะเป็นแม่เหล็กมันก็คือการแผ่รังสีไฟฟ้าสถิตซึ่งนักวิทยาศาสตร์ตีความผิด ๆ

ทิศทางกระแสสลับจะตั้งฉากกับพื้นผิวของเสาอากาศเสมอและมันจะแพร่กระจายไปในอากาศในรูปของคลื่นตามยาว