Como a antena irradia (como as correntes fluem através do fio)

Não entendo como as antenas irradiam um sinal.

Entendo a antena básica (comprimento de onda, campo E do elétron, ...), mas simplesmente não entendo como a corrente pode passar por um fio que não possui pólo negativo.

Você pode me explicar isso?

Acho que você não entende como a corrente pode fluir se não houver um circuito completo. Vamos usar um dipolo simples de quarto de onda como exemplo:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Como pode qualquer corrente fluir, já que não existe um circuito completo de "-" a "+" de V1?

Considere o seguinte: em relação à velocidade com que as ondas nos campos eletromagnéticos se propagam, o dipolo é longo. É verdade que a corrente não pode fluir, mas ela não sabe até chegar ao fim do fio. À medida que a corrente se aproxima do final do fio, mas não tem para onde ir, as cargas se acumulam até serem empurradas para trás na outra direção. Quando volta, ele viajou ou sofreu uma mudança de fase de 180 ∘ . A tensão em V1 também mudou nesse ponto e, portanto, a corrente está aumentando construtivamente as novas correntes produzidas por V1. Se não fosse parte dessa energia perdida como radiação, a energia nessa antena aumentaria sem limites.$\lambda/2$$180^\circ$

Por que a energia irradia é complicado. A resposta longa é " equações de Maxwell ". Se você não quer entender todos os detalhes dessa matemática, então aqui está um entendimento simples e incompleto: a corrente em uma antena está associada a um campo magnético e a tensão está associada a um campo elétrico. Uma antena é um arranjo que, a alguma distância da antena (o campo distante ), esses dois campos são mutuamente perpendiculares e em fase, e o que você obtém é uma onda de propagação automática como esta:

Vermelho é o campo elétrico (E) e azul é o campo magnético (B). Esse é o tipo de onda que seria emitida por um dipolo alinhado com o eixo Z.

Aqui está uma versão simplificada que me ajudou a superar minha própria ignorância.

Existem basicamente dois tipos de antenas pequenas: a antena de loop pequeno e a antena dipolo curta. A antena de loop pequeno é apenas um anel de fio e qualquer corrente no fio produz um campo magnético ao redor da antena. O dispositivo é um indutor, mas com um grande campo magnético de preenchimento de espaço.

Por outro lado, a antena dipolo curta é apenas um par de "placas capacitoras" de metal saindo do ar e, se uma tensão for aplicada através delas, haverá um campo eletrônico no espaço circundante. O dispositivo é apenas um capacitor, mas, novamente, possui um grande campo de preenchimento de espaço na região circundante.

Aplique uma onda senoidal em vez de volts ou corrente constantes, e os campos ao redor das "antenas" se expandirão, depois se contrairão a zero e depois se expandirão novamente, mas apontando para trás ... e repita. Como não são geradas ondas, elas realmente não são antenas de rádio. Mas eles estão criando alguns campos EM locais no espaço.

Aqui está o projeto de vídeo "TEAL" no MIT com uma versão visual do processo:

Expansão / contratação de campo b ou campo eletrônico

OK até agora? A antena em loop gera um campo magnético e a antena dipolo gera um campo elétrico. As coisas estranhas começam a acontecer quando dirigimos uma das antenas com uma frequência muito alta. Isso, ou podemos construir uma versão de qualquer uma das antenas com um tamanho tão grande que até 60Hz será um tipo de "sinal de rádio" no que diz respeito à antena.

Eis o seguinte: os campos magnéticos ou elétricos ao redor dessas antenas não podem se expandir ou contrair mais rápido que a velocidade da luz. Então, o que acontece se os pulsos CA aplicados a esses dispositivos forem "muito rápidos"? Os campos ao redor dos indutores ou capacitores precisam ser expandidos para fora e depois sugados novamente, mas e se as velocidades forem quase iguais às da luz? É quando os campos param de agir como inflar ou contrair balões invisíveis. Em vez disso, os campos começam a se comportar como ondas.

Portanto, quando invertemos a polaridade durante a onda senoidal CA, o campo e ou o campo b não são totalmente absorvidos como de costume. Em vez disso, ele se solta da antena e continua se movendo. Parte da energia do campo não é recuperada e, em vez disso, é perdida no espaço. Nossa antena de loop não é mais apenas um indutor e começou a gerar ondas. E nosso dipolo agora é um lançador de ondas e não apenas um capacitor.

Vid YT: campos EM em torno da antena pequena

Ótima pergunta! Resposta complexa. Para entender por que isso acontece sem um caminho de retorno ("pólo negativo"), você precisa ir além da Lei de Ohms.

Todas as cargas aceleradas irradiam. Então, tudo o que conduz corrente alternada atua como uma antena. No entanto, muitas vezes são antenas ruins e não irradiam bem. Como resultado, esse aspecto geralmente pode ser simplesmente ignorado para simplificar o problema.

Para fabricar uma boa antena, é necessário transferir energia (a energia está contida em tensões e correntes) em radiação eletromagnética (onde a energia está contida nos campos E e H) se afastando da antena. Isso requer que a impedância da sua antena seja mais ou menos compatível e que as correntes que causam radiação se acumulem na fase, para que não se cancelem umas às outras como faria em uma linha de transmissão. Como Jim Dearden mencionou, você pode projetá-lo para obter ondas estacionárias ou cancelá-las, dependendo do comprimento físico.

O problema com sua pergunta sobre "não ter um pólo negativo" está relacionado ao uso de um modelo de circuito simplificado que não se preocupa com os aspectos 3D e os campos de tensão e corrente. A corrente pode fluir em qualquer coisa que seja condutora (pólos ou não). Ondas EM (eletromagnéticas) externas fazem isso o tempo todo. No entanto, não existe um modelo de lei ohm que possa prever isso.

Para avançar na lei de ohms simples, os engenheiros adotaram o modelo "Resistência à radiação". Isso é usado de maneira semelhante à resistência ôhmica padrão. Na lei de ohms, a energia dissipada é transformada em calor. No modelo de resistência à radiação, a energia dissipada é transformada em radiação.

A resistência à radiação é apenas uma ferramenta simples para ajudar os engenheiros a avaliar um elemento de circuito conhecido (ou seja, normalmente um cara de RF calculou isso para você) sem precisar usar as Equações de Maxwell e aplicar as condições de contorno no circuito físico para entender exatamente os modos de radiação.

A chave real para entender o comportamento de um circuito é entender quando os aspectos de radiação são importantes a serem levados em consideração. Quando a frequência de operação de um circuito tem um comprimento de onda fisicamente próximo ao tamanho do circuito, a Lei de Ohm começa a quebrar rapidamente. Como regra geral, se a relação entre o comprimento de onda e o tamanho do circuito for maior que 0,1, será necessário aplicar as Equações de Maxwell para entender como esse circuito funcionará. Portanto, os termos antena de "quarto de onda" devem indicar que você precisa aplicar a teoria EM para entender o que o circuito faz.

Se você tiver tempo, tente digerir este artigo sobre como entender a radiação EM . Ele foi projetado para orientar os engenheiros sobre como os circuitos podem funcionar de maneiras que a lei de ohm não consegue prever. Ele tem muita teoria EM, mas você não precisa realmente entender tudo o que aprecia. Há uma grande diferença na análise de circuitos quando sua frequência operacional se aproxima do tamanho físico do seu circuito.

Edição: Acabei de pensar em outro exemplo que pode ajudar. Capacitores não têm caminhos de retorno, são apenas circuitos abertos, mas de alguma forma eles funcionam, certo? Isso (e indutores que são apenas curtos) só funciona por causa de suas propriedades de radiação. Os engenheiros encontraram uma maneira de transformar as equações EM em elementos fixos (ou elementos agrupados), para que possam ser incorporadas aos modelos de lei de ohm, facilitando o trabalho com eles. Assim como as antenas, pode haver muito mais coisas acontecendo do que apenas um pedaço de metal sentado lá, indo a lugar nenhum.

Talvez isso não esteja respondendo ao Q, mas, ao contrário de algumas explicações textuais completas, para mim entender um dipolo (antena) - e como ele pode irradiar - veio da compreensão do circuito LC https://en.wikipedia.org/wiki /Arquivo:LC_parallel_simple.svg

depois de ver esta animação simples ("Como se forma um dipolo"):

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

Isso foi realmente revelador, diferente de uma tonelada de texto.

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

Como as correntes fluem através do fio em uma antena tem a ver com o fato de que a velocidade da luz é finita e a antena possui um tamanho diferente de zero (relativo à velocidade da luz na frequência de projeto da antena), bem como capacitância zero. Física básica.

Como a velocidade da luz é finita, uma extremidade de um fio com comprimento diferente de zero pode estar em voltagem diferente e ter uma carga diferente da outra extremidade, porque a velocidade da luz impede a equalização instantânea. Será necessário algum tempo (da ordem de cerca de um nanossegundo para cada pé de fio, ou cerca de 3 nS por metro, talvez até um pouco mais lento).

Digamos que você conecte um fio a uma bateria, corrente ou elétrons fluem em uma extremidade e saiam na outra. Mas e se o fio demorar tanto, digamos 0,25 uS para que a velocidade da luz alcance de uma extremidade à outra? Então, se a corrente começar a fluir em uma extremidade, ela realmente não "saberá" se a corrente está fluindo pela outra extremidade do fio para a bateria até 0,25 uS depois.

Portanto, se você conectar apenas uma extremidade de um fio a uma fonte de tensão, a corrente começará a fluir e, quando atingir a outra extremidade, carrega a extremidade mais distante do fio, como um capacitor, pois não possui onde mais ir (não foi encontrado nenhum terminal oposto à bateria). Mas se você estiver dirigindo o extremo local com um oscilador de 1 MHz em vez de uma bateria CC, no momento em que o extremo oposto é carregado, o extremo próximo está revertendo rapidamente a voltagem, bem a tempo de descarregar o capacitor (pois são necessários outros 0,25 uS para que essa cobrança retorne ao ponto de alimentação).

Esse comprimento finito do fio também tem indutância. Essa indutância fará com que a EMF reversa resista à carga que percorre o fio. Essa resistência causa perda de energia no fio, e a conservação de energia coloca essa energia em um campo eletromagnético que se afasta da antena na velocidade da luz e mais rápido do que qualquer onda contrária (causada pela carga nas direções de inversão do fio) pode recuperar o atraso e cancelá-lo. Essas frentes alternadas de campo EM se transformam em ondas de RF padrão à medida que irradiam para longe do campo próximo da antena.

O pólo negativo do circuito é a extremidade mais distante da outra metade de um dipolo, que está sendo carregado e descarregado ao contrário. Ou, no caso de uma antena monopolar vertical, o planeta Terra (e / ou o fio terra, o estojo de rádio, sua mão e eventualmente todo o universo) acaba sendo a placa oposta do capacitor.

Eu acho que essa abordagem, embora não esteja totalmente correta, pode ajudar. Tente imaginar uma bateria e 2 fios conectados nos terminais abertos. Existe um potente na bateria. Isso significa que existe um campo elétrico na bateria, agora esse campo passa pelo fio conectado, causando acúmulo de cargas + ve e -ve nas extremidades respectivas até que o mesmo potencial seja alcançado, isso permanece até que o potencial da bateria não seja alterado. Agora, ambas as extremidades abertas têm a mesma magnitude de potencial que a da bateria. Agora, se eu aumentar o potencial da bateria, mais algumas cargas serão transferidas para as extremidades até que o potencial seja equilibrado. E quando eu diminuir o potencial, algumas cobranças voltarão. Embora o movimento de cobranças seja por um curto período de tempo. Esse movimento ocorre continuamente quando uma tensão CA é aplicada, efetivamente oscilando as cargas e produzindo ondas EM. Espero que isto ajude :)

Mecanismo de radiação e antena

As ondas de rádio são correntes alternadas invisíveis na atmosfera. As ondas de luz são correntes alternadas visíveis na atmosfera.

A antena é um terminal de corrente elétrica; não há corrente passando através de uma antena, apenas a tensão oscila com a corrente de entrada. Essa tensão oscilante na antena do transmissor induz uma corrente alternada no ar, propagando-se para longe da superfície da antena em um ângulo de 90 graus, passando pelo ar para alcançar a antena receptora e induzir tensão oscilante nela.

No processo, a antena é como um balão, a corrente é como o ar e a tensão é como a pressão do ar.

Quando o ar entra e sai do balão, a pressão no balão continuará mudando e produzindo ondas sonoras longitudinais no ar.

Da mesma forma, quando os elétrons entram e saem da antena, a tensão na antena continua mudando e produzindo ondas eletrostáticas longitudinais no ar. Esta é, de fato, corrente alternada no ar.

No espaço de vácuo, a força de Coulomb é o condutor da energia elétrica. Os elétrons da linha de visão nas superfícies das antenas se repelem constantemente com a força de Coulomb. F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2.

Essa força de repulsão atua como uma haste rígida, sem massa e corpo, e transfere instantaneamente energia elétrica livremente para frente e para trás entre as duas antenas.

Segure um ímã em cada mão, com os mesmos pólos voltados um para o outro. Você sente a forte força de repulsão? Sim. Acene uma mão para dentro e para fora. Sente a energia cinética instantaneamente transferida para o outro lado? Sim. As duas mãos estão acenando com a mesma frequência? Sim. Existe alguma onda magnética viajando entre as duas mãos? Não.

A força magnética da repulsão é o condutor da energia cinética entre as duas mãos, permitindo que a energia cinética seja transferida livremente instantaneamente. Podemos chamar esse fenômeno de radiação magnética.

Se mantemos elétrons em nossas mãos, em vez de ímãs, é radiação eletrostática, uma interpretação errônea da radiação eletromagnética pelos cientistas.

A direção da corrente alternada é sempre perpendicular à superfície da antena e se propaga no ar como uma onda longitudinal.