عندما يتعلق الأمرهوائياتإن السؤال الذي يشغل بال الناس أكثر هو "كيف يتم الحصول على الإشعاع فعليًا؟"كيف ينتشر المجال الكهرومغناطيسي الناتج عن مصدر الإشارة عبر خط النقل وداخل الهوائي، وأخيرا "ينفصل" عن الهوائي ليشكل موجة فضائية حرة.
1. إشعاع سلك واحد
لنفترض أن كثافة الشحنة، معبرًا عنها بـ qv (كولوم/م3)، موزعة بشكل موحد في سلك دائري بمساحة مقطعية a وحجم V، كما هو موضح في الشكل 1.
شكل 1
تتحرك الشحنة الإجمالية Q في الحجم V في الاتجاه z بسرعة موحدة Vz (m/s).يمكن إثبات أن كثافة التيار Jz على المقطع العرضي للسلك هي:
جي زد = كيو ف ف زد (1)
إذا كان السلك مصنوعًا من موصل مثالي، فإن كثافة التيار Js على سطح السلك هي:
شبيبة = QS VZ (2)
حيث qs هي كثافة الشحنة السطحية.إذا كان السلك رفيعًا جدًا (من الناحية المثالية، نصف القطر هو 0)، فيمكن التعبير عن التيار في السلك على النحو التالي:
عز = QL VZ (3)
حيث ql (كولوم/متر) هي الشحنة لكل وحدة طول.
نحن مهتمون بشكل أساسي بالأسلاك الرفيعة، وتنطبق الاستنتاجات على الحالات الثلاث المذكورة أعلاه.إذا كان التيار متغيرًا بمرور الوقت، فإن مشتقة الصيغة (3) بالنسبة للزمن تكون كما يلي:
(4)
az هو تسارع الشحنة.إذا كان طول السلك l فيمكن كتابة (4) على النحو التالي:
(5)
المعادلة (5) هي العلاقة الأساسية بين التيار والشحنة، وكذلك العلاقة الأساسية بين الإشعاع الكهرومغناطيسي.ببساطة، لإنتاج الإشعاع، يجب أن يكون هناك تيار أو تسارع (أو تباطؤ) متغير مع الزمن للشحنة.عادة ما نذكر التيار في التطبيقات المتوافقة مع الزمن، ويتم ذكر الشحنة في أغلب الأحيان في التطبيقات العابرة.من أجل إنتاج تسارع (أو تباطؤ) الشحنة، يجب أن يكون السلك مثنيًا ومطويًا وغير متصل.عندما تتأرجح الشحنة في حركة توافقية زمنية، فإنها ستنتج أيضًا تسارعًا دوريًا (أو تباطؤًا) للشحنة أو تيارًا متغيرًا بمرور الوقت.لذلك:
1) إذا لم تتحرك الشحنة فلن يكون هناك تيار ولا إشعاع.
2) إذا تحركت الشحنة بسرعة ثابتة :
أ.إذا كان السلك مستقيمًا وطوله لا نهائي، فلا يوجد إشعاع.
ب.إذا كان السلك منثنيًا أو مطويًا أو متقطعًا، كما هو موضح في الشكل 2، فهذا يعني وجود إشعاع.
3) إذا تذبذبت الشحنة بمرور الوقت، فسوف تشع الشحنة حتى لو كان السلك مستقيمًا.
الشكل 2
يمكن الحصول على فهم نوعي لآلية الإشعاع من خلال النظر إلى مصدر نابض متصل بسلك مفتوح يمكن تأريضه من خلال حمل عند نهايته المفتوحة، كما هو موضح في الشكل 2 (د).عندما يتم تنشيط السلك في البداية، يتم تحريك الشحنات (الإلكترونات الحرة) الموجودة في السلك بواسطة خطوط المجال الكهربائي الناتجة عن المصدر.عندما تتسارع الشحنات عند الطرف المصدر للسلك وتتباطأ (تسارع سلبي بالنسبة للحركة الأصلية) عندما تنعكس عند طرفها، يتولد مجال إشعاعي عند طرفيها وعلى طول بقية السلك.يتم تسارع الشحنات عن طريق مصدر خارجي للقوة يعمل على تحريك الشحنات وينتج مجال الإشعاع المرتبط بها.يتم تباطؤ الشحنات عند نهايات السلك بواسطة قوى داخلية مرتبطة بالمجال المستحث، والذي يحدث بسبب تراكم الشحنات المركزة في نهايات السلك.تكتسب القوى الداخلية الطاقة من تراكم الشحنات عندما تنخفض سرعتها إلى الصفر عند طرفي السلك.ولذلك، فإن تسارع الشحنات بسبب إثارة المجال الكهربائي وتباطؤ الشحنات بسبب الانقطاع أو المنحنى السلس لممانعة السلك هي آليات توليد الإشعاع الكهرومغناطيسي.على الرغم من أن كلا من كثافة التيار (Jc) وكثافة الشحنة (qv) هما مصدران في معادلات ماكسويل، إلا أن الشحنة تعتبر كمية أساسية أكثر، خاصة في المجالات العابرة.على الرغم من أن هذا التفسير للإشعاع يستخدم بشكل أساسي في الحالات العابرة، إلا أنه يمكن استخدامه أيضًا لتفسير إشعاع الحالة المستقرة.
يوصي عدة ممتازةمنتجات الهوائيصنع بواسطةرفميسو:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0.8-2 جيجا هرتز)
RM-SWA910-22(9-10 جيجا هرتز)
2. إشعاع بسلكين
قم بتوصيل مصدر جهد بخط نقل ثنائي الموصل متصل بهوائي، كما هو موضح في الشكل 3(أ).إن تطبيق الجهد على خط السلكين يولد مجالًا كهربائيًا بين الموصلات.تعمل خطوط المجال الكهربائي على الإلكترونات الحرة (التي يمكن فصلها بسهولة عن الذرات) المتصلة بكل موصل وتجبرها على الحركة.إن حركة الشحنات تولد تيارا، والذي بدوره يولد مجالا مغناطيسيا.
الشكل 3
لقد قبلنا أن خطوط المجال الكهربائي تبدأ بشحنات موجبة وتنتهي بشحنات سالبة.بالطبع، يمكنها أيضًا أن تبدأ بشحنات موجبة وتنتهي عند اللانهاية؛أو تبدأ من اللانهاية وتنتهي بشحنات سالبة؛أو تشكل حلقات مغلقة لا تبدأ ولا تنتهي بأي شحنات.تشكل خطوط المجال المغناطيسي دائمًا حلقات مغلقة حول الموصلات الحاملة للتيار، لأنه لا توجد شحنات مغناطيسية في الفيزياء.في بعض الصيغ الرياضية، يتم تقديم الشحنات المغناطيسية المكافئة والتيارات المغناطيسية لإظهار الازدواجية بين الحلول التي تتضمن مصادر الطاقة والمصادر المغناطيسية.
تساعد خطوط المجال الكهربائي المرسومة بين موصلين على إظهار توزيع الشحنة.إذا افترضنا أن مصدر الجهد جيبي، فإننا نتوقع أن يكون المجال الكهربائي بين الموصلات جيبيًا أيضًا مع فترة تساوي فترة المصدر.ويمثل الحجم النسبي لشدة المجال الكهربائي بكثافة خطوط المجال الكهربائي، وتشير الأسهم إلى الاتجاه النسبي (إيجابي أو سلبي).يشكل توليد المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة بمرور الوقت بين الموصلات موجة كهرومغناطيسية تنتشر على طول خط النقل، كما هو موضح في الشكل 3 (أ).تدخل الموجة الكهرومغناطيسية إلى الهوائي بالشحنة والتيار المقابل.إذا قمنا بإزالة جزء من بنية الهوائي، كما هو موضح في الشكل 3 (ب)، فيمكن تشكيل موجة في الفضاء الحر عن طريق "توصيل" الأطراف المفتوحة لخطوط المجال الكهربائي (كما هو موضح بالخطوط المنقطة).موجة الفضاء الحر دورية أيضًا، لكن نقطة الطور الثابت P0 تتحرك للخارج بسرعة الضوء وتقطع مسافة 2/2 (إلى P1) في نصف فترة زمنية.بالقرب من الهوائي، تتحرك نقطة الطور الثابت P0 بشكل أسرع من سرعة الضوء وتقترب من سرعة الضوء عند نقاط بعيدة عن الهوائي.ويبين الشكل 4 توزيع المجال الكهربائي في الفضاء الحر للهوائي ∕2 عند t = 0 وt/8 وt/4 و3T/8.
الشكل 4 توزيع المجال الكهربائي في الفضاء الحر للهوائي ∕2 عند t = 0 وt/8 وt/4 و3T/8
من غير المعروف كيف يتم فصل الموجات الموجهة عن الهوائي وتشكلها في النهاية لتنتشر في الفضاء الحر.يمكننا مقارنة الموجات الفضائية الموجهة والحرة بموجات الماء، والتي يمكن أن تكون ناجمة عن سقوط حجر في جسم مائي هادئ أو بطرق أخرى.بمجرد أن يبدأ الاضطراب في الماء، تتولد موجات الماء وتبدأ في الانتشار إلى الخارج.وحتى لو توقف الاضطراب، فإن الموجات لا تتوقف بل تستمر في الانتشار للأمام.وإذا استمر الاضطراب، تتولد موجات جديدة باستمرار، ويتأخر انتشار هذه الموجات عن الموجات الأخرى.
وينطبق الشيء نفسه على الموجات الكهرومغناطيسية الناتجة عن الاضطرابات الكهربائية.إذا كان الاضطراب الكهربائي الأولي من المصدر قصير المدة، فإن الموجات الكهرومغناطيسية المتولدة تنتشر داخل خط النقل، ثم تدخل الهوائي، وتشع أخيرًا كموجات فضاء حرة، على الرغم من أن الإثارة لم تعد موجودة (تمامًا مثل موجات الماء والاضطراب الذي أحدثوه).إذا كان الاضطراب الكهربائي مستمراً فإن الموجات الكهرومغناطيسية تكون موجودة بشكل مستمر وتتبعها عن كثب أثناء الانتشار، كما هو موضح في الهوائي ثنائي الشكل الموضح في الشكل 5. وعندما تكون الموجات الكهرومغناطيسية داخل خطوط النقل والهوائيات فإن وجودها يرتبط بوجود تيارات كهربائية. تهمة داخل الموصل.ومع ذلك، عندما تشع الموجات، فإنها تشكل حلقة مغلقة ولا توجد شحنة للحفاظ على وجودها.وهذا يقودنا إلى استنتاج مفاده أن:
يتطلب إثارة المجال تسارع الشحنة وتباطؤها، لكن صيانة المجال لا تتطلب تسارع الشحنة وتباطؤها.
الشكل 5
3. الإشعاع ثنائي القطب
نحاول شرح الآلية التي تنفصل بها خطوط المجال الكهربائي عن الهوائي وتشكل موجات في الفضاء الحر، ونأخذ الهوائي ثنائي القطب كمثال.وعلى الرغم من أنه تفسير مبسط، إلا أنه يمكّن الأشخاص أيضًا من رؤية توليد موجات الفضاء الحر بشكل حدسي.يوضح الشكل 6 (أ) خطوط المجال الكهربائي المتولدة بين ذراعي ثنائي القطب عندما تتحرك خطوط المجال الكهربائي للخارج بمقدار 4∕4 في الربع الأول من الدورة.في هذا المثال، لنفترض أن عدد خطوط المجال الكهربائي المتكونة هو 3. في الربع التالي من الدورة، تحرك خطوط المجال الكهربائي الثلاثة الأصلية 4∕4 أخرى (إجمالي 2∕2 من نقطة البداية)، وتبدأ كثافة الشحنة على الموصل في الانخفاض.ويمكن اعتبار أنها تتشكل عن طريق إدخال شحنات متضادة، والتي تلغي الشحنات الموجودة على الموصل في نهاية النصف الأول من الدورة.خطوط المجال الكهربائي الناتجة عن الشحنات المعاكسة هي 3 وتتحرك مسافة 4∕4، والتي تمثلها الخطوط المنقطة في الشكل 6(ب).
والنتيجة النهائية هي أن هناك ثلاثة خطوط مجال كهربائي هابطة في المسافة π∕4 الأولى ونفس العدد من خطوط المجال الكهربائي الصاعدة في المسافة π∕4 الثانية.نظرًا لعدم وجود شحنة صافية على الهوائي، يجب إجبار خطوط المجال الكهربائي على الانفصال عن الموصل والجمع معًا لتكوين حلقة مغلقة.وهذا مبين في الشكل 6 (ج).وفي الشوط الثاني، يتم اتباع نفس العملية البدنية، ولكن لاحظ أن الاتجاه المعاكس.بعد ذلك، تتكرر العملية وتستمر إلى أجل غير مسمى، لتشكل توزيع المجال الكهربائي مشابهًا بالشكل 4.
الشكل 6
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
وقت النشر: 20 يونيو 2024
