Cómo irradia la antena (cómo fluyen las corrientes a través del cable)

No entiendo cómo las antenas irradian una señal.

Entiendo la antena básica (longitud de onda, campo de electrones E, ...), pero simplemente no entiendo cómo puede pasar la corriente a través de un cable que no tiene polo negativo.

¿Me puede explicar eso?

Supongo que no entiendes cómo puede fluir la corriente si no hay un circuito completo. Tomemos un dipolo simple de cuarto de onda como ejemplo:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¿Cómo puede fluir una corriente, ya que no hay un circuito completo de "-" a "+" de V1?

Considere esto: en relación con la velocidad a la que se propagan las ondas en los campos electromagnéticos, el dipolo es largo. Es cierto que la corriente no puede fluir, pero no lo sabe hasta que llega al final del cable. A medida que la corriente se acerca al final del cable pero no tiene a dónde ir, las cargas se acumulan hasta que se empujan en la otra dirección. Cuando regresa, ha recorrido o ha experimentado un cambio de fase de 180 ∘ . El voltaje en V1 también ha cambiado en este punto, por lo que la corriente se suma constructivamente a las nuevas corrientes que produce V1. Si no fuera porque parte de esta energía se pierde como radiación, la energía en esta antena crecería sin límites.$\lambda/2$$180^\circ$

Por qué irradia la energía es complicado. La respuesta larga es " ecuaciones de Maxwell ". Si no desea comprender todos los detalles arenosos de esa matemática, entonces aquí hay una comprensión simple e incompleta: la corriente en una antena está asociada con un campo magnético, y el voltaje está asociado con un campo eléctrico. Una antena es una disposición tal que a cierta distancia de la antena (el campo lejano ) estos dos campos son mutuamente perpendiculares y en fase, y lo que obtienes es una onda autopropagante como esta:

El rojo es el campo eléctrico (E), y el azul es el campo magnético (B). Este es el tipo de onda que emitiría un dipolo alineado con el eje Z.

Aquí hay una versión simplificada que me ayudó a superar mi propia ignorancia novata.

Básicamente, existen dos tipos de antenas pequeñas: la antena de bucle pequeño y la antena dipolo corta. La antena de bucle pequeño es solo un anillo de cable, y cualquier corriente en el cable produce un campo magnético que rodea la antena. El dispositivo es un inductor, pero tiene un gran campo magnético que llena el espacio.

Por otro lado, la antena dipolo corta es solo un par de "placas de condensadores" de metal que sobresalen en el aire, y si se aplica un voltaje a través de ellas, habrá un campo e en el espacio circundante. El dispositivo es solo un condensador, pero nuevamente, tiene un gran campo de relleno de espacio en la región circundante.

Aplique una onda sinusoidal en lugar de voltios o corriente constantes, y los campos alrededor de las "antenas" se expandirán, luego se contraerán a cero, luego se expandirán nuevamente pero apuntando hacia atrás ... luego repita. No se generan ondas, por lo que realmente no son antenas de radio en absoluto. Pero están creando algunos campos EM locales en el espacio.

Aquí está el proyecto de video "TEAL" en el MIT con una versión visual del proceso:

Expandiendo / contrayendo campo b o campo e

Ok hasta ahora? La antena de bucle genera un campo magnético, y la antena dipolo genera un campo eléctrico. Las cosas raras comienzan a suceder cuando manejamos cualquier antena con una frecuencia muy alta. Eso o podemos construir una versión de cualquiera de las antenas con un tamaño tan grande que incluso 60Hz será un tipo de "señal de radio" en lo que respecta a la antena.

Aquí está la cosa: los campos magnéticos o eléctricos que rodean esas antenas no pueden expandirse o contraerse más rápido que la velocidad de la luz. Entonces, ¿qué sucede si los pulsos de CA aplicados a estos dispositivos son "demasiado rápidos"? Los campos alrededor de los inductores o condensadores tienen que inflarse hacia afuera y luego ser absorbidos nuevamente, pero ¿qué pasa si las velocidades son casi la velocidad de la luz? Es entonces cuando los campos dejan de actuar como inflar o contraer globos invisibles. En cambio, los campos comienzan a comportarse como ondas.

Entonces, cuando invertimos la polaridad durante la onda sinusoidal de CA, el campo e o el campo b no son absorbidos por completo como de costumbre. En cambio, se despega de la antena y sigue moviéndose. Parte de la energía del campo no se recupera, sino que se pierde en el espacio. Nuestra antena de bucle ya no es solo un inductor, y comenzó a hacer ondas. Y nuestro dipolo es ahora un lanzador de ondas y no solo un condensador.

YT vid: campos EM que rodean una antena pequeña

Gran pregunta! Respuesta compleja Para entender por qué sucede esto sin una ruta de retorno ("polo negativo"), debe ir más allá de la Ley de Ohmios.

Todas las cargas aceleradas irradian. Entonces todo que conduce corriente alterna actúa como una antena. Sin embargo, a menudo son antenas pobres y no irradian bien. Como resultado, este aspecto a menudo puede ignorarse simplemente para simplificar el problema.

Para hacer una buena antena, debe transferir energía (la energía está contenida en voltajes y corrientes) en radiación electromagnética (donde la energía está contenida en los campos E y H) que se alejan de la antena. Esto requiere que la impedancia de su antena coincida aproximadamente, y que las corrientes que causan radiación se sumen en fase para que no se cancelen entre sí como lo harían en una línea de transmisión. Como mencionó Jim Dearden, puede diseñar esto para obtener ondas estacionarias o cancelarlas dependiendo de la longitud física.

El problema con su pregunta sobre "no tener un polo negativo" está relacionado con el uso de un modelo de circuito simplificado que no tiene que ver con los aspectos 3D y los campos de voltaje y corriente. La corriente puede fluir en cualquier cosa que sea conductora (polos o no polos). Las ondas EM (electromagnéticas) externas hacen esto todo el tiempo. Sin embargo, no existe un modelo de ley de ohmios que pueda predecir esto.

Para avanzar un paso de la simple ley de ohmios, los ingenieros han adoptado un modelo de "Resistencia a la radiación". Esto se usa de manera similar a la resistencia óhmica estándar. En la ley de ohmios, la energía disipada se convierte en calor. En el modelo de resistencia a la radiación, la energía disipada se convierte, bueno, en radiación.

La resistencia a la radiación es solo una herramienta simple para ayudar a los ingenieros a evaluar un elemento de circuito conocido (es decir, generalmente un tipo de RF lo calculó por usted) sin tener que usar las ecuaciones de Maxwell y aplicar las condiciones de contorno al circuito físico para comprender exactamente los modos de radiación.

La clave real para comprender el comportamiento de un circuito es comprender cuándo es importante tener en cuenta los aspectos de la radiación. Cuando la frecuencia de operación de un circuito tiene una longitud de onda físicamente cercana al tamaño del circuito, la Ley de Ohm comienza a descomponerse rápidamente. Como regla general, si la relación entre la longitud de onda y el tamaño del circuito es mayor que 0.1, entonces debe aplicar las ecuaciones de Maxwell para comprender cómo funcionará ese circuito. Por lo tanto, los términos antena de "cuarto de onda" deberían ser una pista de que necesita aplicar la teoría EM para comprender lo que hace el circuito.

Si tiene tiempo, intente digerir este artículo sobre la comprensión de la radiación EM . Está diseñado para enseñar a los ingenieros cómo los circuitos pueden funcionar de una manera que la ley de Ohm no puede predecir. Tiene mucha teoría EM, pero no es necesario que comprenda realmente todo eso para apreciar que hay una gran diferencia en el análisis de circuitos cuando su frecuencia de operación se acerca al tamaño físico de su circuito.

EDITAR: Solo pensé en otro ejemplo que podría ayudar. Los condensadores no tienen rutas de retorno, solo son circuitos abiertos, pero de alguna manera funcionan, ¿verdad? Esto (y los inductores que son solo cortos) solo funcionan debido a sus propiedades de radiación. Los ingenieros han encontrado una forma de convertir las ecuaciones de EM en elementos fijos (o elementos agrupados) para que puedan incorporarse en modelos de ley de ohmios, lo que facilita su trabajo. Al igual que con las antenas, puede haber mucho más que solo un trozo de metal sentado allí que no va a ninguna parte.

Tal vez esto realmente no responde a la Q, pero a diferencia de algunas explicaciones textuales exhaustivas, para mí entender un dipolo (antena) y cómo puede irradiar, vino de comprender el circuito LC https://en.wikipedia.org/wiki /File:LC_parallel_simple.svg

después de ver esta animación simple ("Cómo se forma un dipolo"):

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

Eso fue realmente revelador, a diferencia de una tonelada de texto.

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

La forma en que las corrientes fluyen a través del cable en una antena tiene que ver con el hecho de que la velocidad de la luz es finita, y la antena tiene un tamaño distinto de cero (en relación con la velocidad de la luz en la frecuencia de diseño de la antena), así como capacitancia cero. Física básica

Debido a que la velocidad de la luz es finita, un extremo de un cable de longitud distinta de cero puede tener un voltaje diferente y tener una carga diferente que el otro extremo, porque la velocidad de la luz evita que se igualen instantáneamente. Se requerirá algo de tiempo (del orden de alrededor de un nanosegundo por cada pie de cable, o alrededor de 3 nS por metro, quizás incluso un poco más lento).

Digamos que conecta un cable a una batería, la corriente o los electrones fluyen en un extremo y salen por el otro. Pero, ¿qué pasa si el cable tarda tanto, digamos 0.25 uS para que la velocidad de la luz llegue de un extremo al otro? Luego, si la corriente comienza a fluir en un extremo, esa corriente realmente no "sabrá" si la corriente fluye por el otro extremo del cable hacia la batería hasta 0.25 uS más tarde.

Entonces, si conecta solo un extremo de un cable a una fuente de voltaje, la corriente comienza a fluir, y cuando llega al otro extremo del cable, carga el extremo más alejado del cable, como un condensador, ya que no tiene a dónde más ir (no se encontró terminal de batería opuesta). Pero si está manejando el extremo cercano con un oscilador de 1 MHz en lugar de una batería de CC, cuando el extremo lejano se carga, el extremo cercano está invirtiendo rápidamente el voltaje, justo a tiempo para descargar ese condensador (ya que toma otros 0.25 uS para que esa carga viaje de regreso al punto de alimentación).

Esa longitud finita del cable también tiene inductancia. Esa inductancia causará EMF inversa resistiendo la carga que viaja por el cable. Esa resistencia causa una pérdida de energía en el cable, y la conservación de la energía coloca esa energía en un campo electromagnético que se aleja de la antena a la velocidad de la luz y más rápido que cualquier onda de contrarrestar (causada por la carga en las direcciones de inversión del cable) puede ponerse al día y cancelarlo. Esos frentes alternos del campo EM se convierten en ondas de RF estándar a medida que se irradian lejos del campo cercano de la antena.

El polo negativo del circuito es el extremo más alejado de la otra mitad de un dipolo, que se carga y descarga en reversa. O, en el caso de una antena monopolar vertical, el planeta tierra (y / o el cable a tierra, la caja de radio, su mano, eventualmente todo el universo) termina siendo la placa opuesta del condensador.

Supongo que este enfoque, aunque no es completamente correcto, puede ayudar. Trate de imaginar una batería y 2 cables conectados en sus terminales abiertos. Existe un potente en la batería. Eso significa que existe un campo eléctrico en la batería, ahora este campo es a través del cable conectado, causando la acumulación de cargas + ve y -ve en los extremos respectivos hasta que se logre el mismo potencial, esto permanece hasta que no se cambie el potencial de la batería. Ahora ambos extremos abiertos tienen la misma magnitud de potencial que el de la batería. Ahora, si aumento el potencial de la batería, algunas cargas más se moverán a los extremos hasta que se equilibre el potencial. Y cuando disminuya el potencial, algunas cargas retrocederán. Aunque el movimiento de cargos es por un corto período de tiempo. Este movimiento ocurre continuamente cuando se aplica un voltaje de CA, oscilar efectivamente las cargas y, por lo tanto, producir ondas EM. Espero que esto ayude :)

Radiación y mecanismo de antena

Las ondas de radio son corrientes alternas invisibles en la atmósfera. Las ondas de luz son corrientes alternas visibles en la atmósfera.

La antena es un terminal de corriente eléctrica; no pasa corriente a través de una antena, solo el voltaje oscila con la corriente de entrada. Este voltaje oscilante en la antena del transmisor induce una corriente alterna en el aire, propagándose desde la superficie de la antena en un ángulo de 90 grados, pasando a través del aire para llegar a la antena del receptor e inducir voltaje oscilante en ella.

En el proceso, la antena es como un globo, la corriente es como el aire y el voltaje es como la presión del aire.

Cuando el aire entra y sale del globo, la presión en el globo seguirá cambiando y produciendo ondas de sonido longitudinales en el aire.

Del mismo modo, cuando los electrones están bombeando dentro y fuera de la antena, el voltaje en la antena seguirá cambiando y produciendo ondas electrostáticas longitudinales en el aire. Esto es, de hecho, corriente alterna en el aire.

En el espacio de vacío, la fuerza de Coulomb es el conductor de la energía eléctrica. Los electrones de la línea de visión en las superficies de las antenas se repelen constantemente con la fuerza de Coulomb. F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2.

Esta fuerza de repulsión actúa como una barra rígida sin masa y cuerpo, y transfiere instantáneamente energía eléctrica libremente de un lado a otro entre las dos antenas.

Sostenga un imán en cada mano, con los mismos polos uno frente al otro. ¿Sientes la fuerte fuerza de repulsión? Sí. Agite una mano dentro y fuera. ¿Siente la energía cinética transferida instantáneamente a la otra mano? Sí. ¿Se agitan las dos manos a la misma frecuencia? Sí. ¿Hay alguna onda magnética viajando entre las dos manos? No.

La fuerza magnética de repulsión es el conductor de la energía cinética entre las dos manos, lo que permite que la energía cinética se transfiera libremente al instante. Podemos llamar a este fenómeno radiación magnética.

Si tenemos electrones en nuestras manos en lugar de imanes, es radiación electrostática, una interpretación errónea de la radiación electromagnética por parte de los científicos.

La dirección de la corriente alterna siempre es perpendicular a la superficie de la antena, y se propaga en el aire como una onda longitudinal.