عندما يتعلق الأمر بـالهوائياتالسؤال الأكثر إثارةً للقلق هو "كيف يتم توليد الإشعاع فعليًا؟" كيف ينتشر المجال الكهرومغناطيسي الناتج عن مصدر الإشارة عبر خط النقل وداخل الهوائي، ثم ينفصل عنه ليشكل موجةً فضائيةً حرة.
1. إشعاع السلك الواحد
لنفترض أن كثافة الشحنة، المعبر عنها بـ qv (كولومب/م3)، موزعة بالتساوي في سلك دائري بمساحة مقطع عرضي a وحجم V، كما هو موضح في الشكل 1.
الشكل 1
تتحرك الشحنة الكلية Q في الحجم V في اتجاه z بسرعة منتظمة Vz (م/ث). يمكن إثبات أن كثافة التيار Jz في المقطع العرضي للسلك هي:
Jz = qv vz (1)
إذا كان السلك مصنوعًا من موصل مثالي، فإن كثافة التيار Js على سطح السلك هي:
Js = qs vz (2)
حيث qs هي كثافة الشحنة السطحية. إذا كان السلك رفيعًا جدًا (نصف قطره المثالي يساوي 0)، فيمكن التعبير عن التيار المار فيه بالصيغة التالية:
Iz = ql vz (3)
حيث ql (كولومب/متر) هي الشحنة لكل وحدة طول.
نحن نهتم بشكل رئيسي بالأسلاك الرفيعة، وتنطبق النتائج على الحالات الثلاث المذكورة أعلاه. إذا كان التيار متغيرًا مع الزمن، فإن مشتقة الصيغة (3) بالنسبة للزمن تكون كما يلي:
(4)
az هو تسارع الشحنة. إذا كان طول السلك l، فيمكن كتابة (4) كما يلي:
(5)
المعادلة (5) هي العلاقة الأساسية بين التيار والشحنة، وكذلك العلاقة الأساسية للإشعاع الكهرومغناطيسي. ببساطة، لإنتاج الإشعاع، يجب وجود تيار متغير مع الزمن أو تسارع (أو تباطؤ) للشحنة. عادةً ما نذكر التيار في تطبيقات التوافقيات الزمنية، بينما تُذكر الشحنة غالبًا في التطبيقات العابرة. ولإنتاج تسارع (أو تباطؤ) للشحنة، يجب أن يكون السلك منحنيًا ومطويًا وغير متصل. عندما تتذبذب الشحنة في حركة توافقية زمنية، فإنها تُنتج أيضًا تسارعًا (أو تباطؤًا) دوريًا للشحنة أو تيارًا متغيرًا مع الزمن. 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 منحنيًا أو مطويًا أو غير متصل، كما هو موضح في الشكل 2، فهناك 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 نبضي متصل بسلك مفتوح يمكن تأريضه من خلال حمل عند طرفه المفتوح، كما هو موضح في الشكل 2(د). عند تنشيط السلك في البداية، تتحرك الشحنات (الإلكترونات الحرة) فيه بواسطة خطوط المجال الكهربائي التي يولدها المصدر. مع تسارع الشحنات عند طرف مصدر السلك وتباطؤها (تسارع سلبي بالنسبة للحركة الأصلية) عند انعكاسها عند طرفه، يتولد مجال إشعاعي عند طرفيه وعلى طول بقية السلك. يتم تحقيق تسارع الشحنات بواسطة مصدر قوة خارجي يحرك الشحنات وينتج مجال الإشعاع المرتبط به. يتم تحقيق تباطؤ الشحنات عند طرفي السلك بواسطة قوى داخلية مرتبطة بالمجال المستحث، والذي ينتج عن تراكم الشحنات المركزة عند طرفي السلك. تكتسب القوى الداخلية طاقة من تراكم الشحنة مع انخفاض سرعتها إلى الصفر عند طرفي السلك. لذلك، فإن تسارع الشحنات الناتج عن إثارة المجال الكهربائي، وتباطؤها الناتج عن انقطاع أو انسيابية معاوقة السلك، هما آليتا توليد الإشعاع الكهرومغناطيسي. على الرغم من أن كثافة التيار (Jc) وكثافة الشحنة (qv) هما مصطلحان مصدريان في معادلات ماكسويل، إلا أن الشحنة تُعتبر كمية أكثر جوهرية، خاصةً في المجالات العابرة. مع أن هذا التفسير للإشعاع يُستخدم بشكل رئيسي في الحالات العابرة، إلا أنه يمكن استخدامه أيضًا لتفسير إشعاع الحالة المستقرة.
أوصي بالعديد من الممتازمنتجات الهوائيتم تصنيعها بواسطةآر إف إم آي إس أو:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0.8-2 جيجاهرتز)
RM-SWA910-22 (9-10 جيجاهرتز)
2. الإشعاع ثنائي الأسلاك
وصِّل مصدر جهد بخط نقل ثنائي الموصلات متصل بهوائي، كما هو موضح في الشكل 3(أ). يُولِّد تطبيق الجهد على الخط ثنائي السلك مجالًا كهربائيًا بين الموصلين. تؤثر خطوط المجال الكهربائي على الإلكترونات الحرة (التي يسهل فصلها عن الذرات) المتصلة بكل موصل، وتُجبرها على الحركة. تُولِّد حركة الشحنات تيارًا كهربائيًا، والذي بدوره يُولِّد مجالًا مغناطيسيًا.
الشكل 3
لقد تقبّلنا أن خطوط المجال الكهربائي تبدأ بشحنات موجبة وتنتهي بشحنات سالبة. وبالطبع، يمكن أن تبدأ أيضًا بشحنات موجبة وتنتهي عند اللانهاية؛ أو تبدأ عند اللانهاية وتنتهي بشحنات سالبة؛ أو تُشكّل حلقات مغلقة لا تبدأ ولا تنتهي بأي شحنات. تُشكّل خطوط المجال المغناطيسي دائمًا حلقات مغلقة حول الموصلات الحاملة للتيار، نظرًا لعدم وجود شحنات مغناطيسية في الفيزياء. في بعض المعادلات الرياضية، تُستخدم الشحنات المغناطيسية المكافئة والتيارات المغناطيسية لإظهار الثنائية بين الحلول التي تتضمن مصادر الطاقة والمغناطيسية.
تساعد خطوط المجال الكهربائي المرسومة بين موصلين على توضيح توزيع الشحنة. إذا افترضنا أن مصدر الجهد جيبي، نتوقع أن يكون المجال الكهربائي بين الموصلين جيبيًا أيضًا، بزمن يساوي زمن المصدر. تُمثل كثافة خطوط المجال الكهربائي المقدار النسبي لشدة المجال الكهربائي، وتشير الأسهم إلى الاتجاه النسبي (موجب أو سالب). يُشكل توليد المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة مع الزمن بين الموصلين موجة كهرومغناطيسية تنتشر على طول خط النقل، كما هو موضح في الشكل 3(أ). تدخل الموجة الكهرومغناطيسية إلى الهوائي محملة بالشحنة والتيار المقابل. إذا أزلنا جزءًا من هيكل الهوائي، كما هو موضح في الشكل 3(ب)، يمكن تكوين موجة في الفضاء الحر عن طريق "توصيل" الأطراف المفتوحة لخطوط المجال الكهربائي (الموضحة بالخطوط المنقطة). موجة الفضاء الحر دورية أيضًا، لكن نقطة الطور الثابت P0 تتحرك للخارج بسرعة الضوء وتقطع مسافة λ/2 (إلى P1) في نصف فترة زمنية. بالقرب من الهوائي، تتحرك نقطة الطور الثابت P0 بسرعة تفوق سرعة الضوء وتقترب من سرعته عند نقاط بعيدة عن الهوائي. يوضح الشكل 4 توزيع المجال الكهربائي في الفضاء الحر لهوائي λ∕2 عند t = 0، t/8، t/4، و3T/8.
الشكل 4 توزيع المجال الكهربائي في الفضاء الحر للهوائي λ∕2 عند t = 0 وt/8 وt/4 و3T/8
لا يُعرف كيف تنفصل الموجات الموجهة عن الهوائي، وكيف تتشكل في النهاية لتنتشر في الفضاء الحر. يُمكن مقارنة الموجات الموجهة وموجات الفضاء الحر بموجات الماء، والتي قد تنتج عن سقوط حجر في مسطح مائي هادئ أو بطرق أخرى. بمجرد بدء الاضطراب في الماء، تتولد موجات مائية وتبدأ بالانتشار نحو الخارج. حتى لو توقف الاضطراب، فإن الموجات لا تتوقف، بل تستمر في الانتشار نحو الأمام. إذا استمر الاضطراب، تتولد موجات جديدة باستمرار، ويتأخر انتشار هذه الموجات عن الموجات الأخرى.
ينطبق الأمر نفسه على الموجات الكهرومغناطيسية الناتجة عن الاضطرابات الكهربائية. إذا كان الاضطراب الكهربائي الأولي من المصدر قصير المدة، تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية المولدة داخل خط النقل، ثم تدخل الهوائي، وتشعّ في النهاية كموجات فضاء حر، حتى لو لم تعد الإثارة موجودة (تمامًا كما هو الحال مع موجات الماء والاضطراب الذي أحدثته). إذا كان الاضطراب الكهربائي مستمرًا، فإن الموجات الكهرومغناطيسية موجودة باستمرار وتتبعها عن كثب أثناء الانتشار، كما هو موضح في الهوائي ثنائي المخروط الموضح في الشكل 5. عندما تكون الموجات الكهرومغناطيسية داخل خطوط النقل والهوائيات، فإن وجودها مرتبط بوجود شحنة كهربائية داخل الموصل. ومع ذلك، عند إشعاع الموجات، فإنها تشكل حلقة مغلقة ولا توجد شحنة للحفاظ على وجودها. وهذا يقودنا إلى الاستنتاج التالي:
تتطلب إثارة المجال تسارع وتباطؤ الشحنة، ولكن الحفاظ على المجال لا يتطلب تسارع وتباطؤ الشحنة.
الشكل 5
3. الإشعاع ثنائي القطب
نحاول شرح آلية انفصال خطوط المجال الكهربائي عن الهوائي وتكوين موجات في الفضاء الحر، ونتخذ هوائي ثنائي القطب مثالاً. على الرغم من أن هذا شرح مبسط، إلا أنه يُمكّن الناس 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 λ∕4 في الربع الأول من الدورة. في هذا المثال، لنفترض أن عدد خطوط المجال الكهربائي المتكونة هو 3. في الربع التالي من الدورة، تتحرك خطوط المجال الكهربائي الثلاثة الأصلية بمقدار λ∕4 أخرى (بإجمالي λ∕2 من نقطة البداية)، وتبدأ كثافة الشحنة على الموصل في الانخفاض. يمكن اعتبار أنها تشكلت من خلال إدخال شحنات متعاكسة، والتي تلغي الشحنات على الموصل في نهاية النصف الأول من الدورة. خطوط المجال الكهربائي التي تولدها الشحنات المعاكسة هي 3 وتتحرك مسافة λ∕4، والتي يتم تمثيلها بواسطة الخطوط المنقطة في الشكل 6 (ب).
النتيجة النهائية هي وجود ثلاثة خطوط مجال كهربائي هابطة في المسافة λ∕ ...
الشكل 6
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
وقت النشر: ٢٠ يونيو ٢٠٢٤
