عندما يتعلق الأمر بـالهوائياتإن السؤال الذي يشغل بال الناس أكثر من غيره هو "كيف يتم تحقيق الإشعاع فعليًا؟" كيف ينتشر المجال الكهرومغناطيسي الناتج عن مصدر الإشارة عبر خط النقل وداخل الهوائي، ثم "ينفصل" أخيرًا عن الهوائي ليشكل موجة في الفضاء الحر.
1. إشعاع السلك الواحد
لنفترض أن كثافة الشحنة، المعبر عنها بـ qv (كولوم/م3)، موزعة بشكل منتظم في سلك دائري بمساحة مقطع عرضي a وحجم V، كما هو موضح في الشكل 1.
الشكل 1
تتحرك الشحنة الكلية Q في الحجم V باتجاه المحور z بسرعة منتظمة Vz (م/ث). يمكن إثبات أن كثافة التيار Jz على 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 رقيقًا جدًا (مثاليًا، نصف القطر يساوي صفرًا)، فيمكن التعبير عن التيار في السلك على النحو التالي:
Iz = ql vz (3)
حيث ql (كولوم/متر) هي الشحنة لكل وحدة طول.
نحن نهتم بشكل أساسي بالأسلاك الرقيقة، وتنطبق النتائج على الحالات الثلاث المذكورة أعلاه. إذا كان التيار متغيرًا مع الزمن، فإن مشتقة الصيغة (3) بالنسبة للزمن تكون كما يلي:
(4)
يمثل az تسارع الشحنة. إذا كان طول السلك l، فيمكن كتابة المعادلة (4) على النحو التالي:
(5)
المعادلة (5) هي العلاقة الأساسية بين التيار والشحنة، وهي أيضاً العلاقة الأساسية للإشعاع الكهرومغناطيسي. ببساطة، لإنتاج الإشعاع، يجب أن يكون هناك تيار متغير مع الزمن أو تسارع (أو تباطؤ) للشحنة. عادةً ما نذكر التيار في التطبيقات ذات التزامن الزمني، بينما تُذكر الشحنة في أغلب الأحيان في التطبيقات العابرة. لإنتاج تسارع (أو تباطؤ) للشحنة، يجب أن يكون السلك مثنياً أو مطوياً أو غير متصل. عندما تتذبذب الشحنة في حركة متزامنة مع الزمن، فإنها ستنتج أيضاً تسارعاً (أو تباطؤاً) دورياً للشحنة أو تياراً متغيراً مع الزمن. لذلك:
1) إذا لم تتحرك الشحنة، فلن يكون هناك تيار ولن يكون هناك إشعاع.
2) إذا تحركت الشحنة بسرعة ثابتة:
أ. إذا كان السلك مستقيماً وطوله لانهائي، فلا يوجد إشعاع.
ب. إذا كان السلك مثنيًا 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 مستقيماً.
الشكل 2
يمكن الحصول على فهم نوعي لآلية الإشعاع من خلال النظر إلى مصدر نبضي موصول بسلك مفتوح يمكن تأريضه عبر حمل عند طرفه المفتوح، كما هو موضح في الشكل 2(د). عند تنشيط السلك في البداية، تتحرك الشحنات (الإلكترونات الحرة) الموجودة فيه بفعل خطوط المجال الكهربائي المتولدة من المصدر. ومع تسارع الشحنات عند طرف السلك المتصل بالمصدر، وتباطؤها (بتسارع سالب بالنسبة لحركتها الأصلية) عند انعكاسها عند طرفه، يتولد مجال إشعاعي عند طرفيه وعلى طول بقية السلك. ويتحقق تسارع الشحنات بواسطة مصدر قوة خارجي يحركها وينتج المجال الإشعاعي المصاحب لها. أما تباطؤ الشحنات عند طرفي السلك فيتحقق بفعل قوى داخلية مرتبطة بالمجال المستحث، والناتج عن تراكم الشحنات المركزة عند طرفي السلك. وتكتسب هذه القوى الداخلية طاقة من تراكم الشحنة مع انخفاض سرعتها إلى الصفر عند طرفي السلك. لذا، فإن تسارع الشحنات نتيجةً لإثارة المجال الكهربائي، وتباطؤها نتيجةً لعدم استمرارية أو ثبات منحنى مقاومة السلك، هما آليتا توليد الإشعاع الكهرومغناطيسي. ورغم أن كثافة التيار (Jc) وكثافة الشحنة (qv) تُعدّان من حدود المصدر في معادلات ماكسويل، إلا أن الشحنة تُعتبر كميةً أكثر جوهرية، لا سيما في المجالات العابرة. ومع أن هذا التفسير للإشعاع يُستخدم أساسًا للحالات العابرة، إلا أنه يُمكن استخدامه أيضًا لتفسير الإشعاع في الحالة المستقرة.
أوصي بالعديد من الخيارات الممتازةمنتجات الهوائياتصنع بواسطةRFMISO:
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4 (0.8-2 جيجاهرتز)
RM-SWA910-22(9-10GHz)
2. الإشعاع ثنائي الأسلاك
قم بتوصيل مصدر جهد بخط نقل ثنائي الموصلات متصل بهوائي، كما هو موضح في الشكل 3(أ). يؤدي تطبيق الجهد على الخط ثنائي الأسلاك إلى توليد مجال كهربائي بين الموصلين. تؤثر خطوط المجال الكهربائي على الإلكترونات الحرة (التي يسهل فصلها عن الذرات) المتصلة بكل موصل، وتجبرها على الحركة. تولد حركة الشحنات تيارًا كهربائيًا، والذي بدوره يولد مجالًا مغناطيسيًا.
الشكل 3
لقد تقبّلنا أن خطوط المجال الكهربائي تبدأ بشحنات موجبة وتنتهي بشحنات سالبة. بالطبع، 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 التي تحمل تيارًا كهربائيًا، لأنه لا توجد شحنات مغناطيسية في الفيزياء. في بعض المعادلات الرياضية، تُستخدم الشحنات المغناطيسية والتيارات المغناطيسية المكافئة لإظهار الازدواجية بين الحلول التي تتضمن مصادر الطاقة والمصادر المغناطيسية.
تساعد خطوط المجال الكهربائي المرسومة بين موصلين على توضيح توزيع الشحنة. بافتراض أن مصدر الجهد جيبي، نتوقع أن يكون المجال الكهربائي بين الموصلين جيبيًا أيضًا، بدورة تساوي دورة المصدر. يُعبَّر عن المقدار النسبي لشدة المجال الكهربائي بكثافة خطوط المجال الكهربائي، وتشير الأسهم إلى الاتجاه النسبي (موجب أو سالب). يُولِّد 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 الهوائي مصحوبة بالشحنة والتيار المقابل. إذا أزلنا جزءًا من بنية الهوائي، كما هو موضح في الشكل 3(ب)، يمكن تكوين موجة في الفضاء الحر عن طريق "توصيل" النهايات المفتوحة لخطوط المجال الكهربائي (الموضحة بالخطوط المنقطة). موجة الفضاء الحر دورية أيضًا، لكن النقطة ذات الطور الثابت P0 تتحرك للخارج بسرعة الضوء، وتقطع مسافة λ/2 (إلى P1) في نصف دورة زمنية. بالقرب من الهوائي، تتحرك نقطة الطور الثابت P0 بسرعة تفوق سرعة الضوء، وتقترب منها عند النقاط البعيدة عن الهوائي. يوضح الشكل 4 توزيع المجال الكهربائي في الفضاء الحر للهوائي λ/2 عند t = 0، t/8، t/4، و3T/8.
الشكل 4: توزيع المجال الكهربائي في الفضاء الحر لهوائي λ/2 عند t = 0، t/8، t/4 و 3T/8
لا يُعرف كيف تنفصل الموجات الموجهة عن الهوائي وكيف تتشكل في النهاية لتنتشر في الفضاء الحر. يمكننا تشبيه الموجات الموجهة وموجات الفضاء الحر بموجات الماء، التي قد تنشأ عن سقوط حجر في مسطح مائي هادئ أو بطرق أخرى. بمجرد بدء الاضطراب في الماء، تتولد موجات مائية وتبدأ بالانتشار للخارج. حتى لو توقف الاضطراب، فإن الموجات لا تتوقف بل تستمر في الانتشار للأمام. إذا استمر الاضطراب، تتولد موجات جديدة باستمرار، ويتأخر انتشار هذه الموجات عن الموجات الأخرى.
وينطبق الأمر نفسه على الموجات الكهرومغناطيسية الناتجة عن الاضطرابات الكهربائية. فإذا كان الاضطراب الكهربائي الأولي من المصدر قصير المدة، تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية المتولدة داخل خط النقل، ثم تدخل الهوائي، وأخيرًا تشع كموجات في الفضاء الحر، حتى بعد زوال مصدر الإثارة (تمامًا كما هو الحال مع موجات الماء والاضطراب الذي أحدثته). أما إذا كان الاضطراب الكهربائي مستمرًا، فإن الموجات الكهرومغناطيسية تبقى موجودة باستمرار وتتبعه عن كثب أثناء انتشاره، كما هو موضح في الهوائي ثنائي المخروط في الشكل 5. عندما تكون الموجات الكهرومغناطيسية داخل خطوط النقل والهوائيات، يرتبط وجودها بوجود شحنة كهربائية داخل الموصل. ولكن عند إشعاع الموجات، فإنها تشكل حلقة مغلقة، ولا توجد شحنة للحفاظ على وجودها. وهذا يقودنا إلى الاستنتاج التالي:
إن إثارة المجال تتطلب تسارع وتباطؤ الشحنة، لكن الحفاظ على المجال لا يتطلب تسارع وتباطؤ الشحنة.
الشكل 5
3. إشعاع ثنائي القطب
نحاول شرح آلية انفصال خطوط المجال الكهربائي عن الهوائي وتكوينها موجات في الفضاء الحر، ونستخدم هوائي ثنائي القطب كمثال. على الرغم من أن هذا شرح مبسط، إلا أنه يُمكّن من فهم توليد موجات الفضاء الحر بشكل بديهي. يوضح الشكل 6(أ) خطوط المجال الكهربائي المتولدة بين ذراعي ثنائي القطب عندما تتحرك هذه الخطوط للخارج بمقدار λ/4 في الربع الأول من الدورة. في هذا المثال، نفترض أن عدد خطوط المجال الكهربائي المتكونة هو 3. في الربع التالي من الدورة، تتحرك خطوط المجال الكهربائي الثلاثة الأصلية مسافة λ/4 أخرى (أي ما مجموعه λ/2 من نقطة البداية)، وتبدأ كثافة الشحنة على الموصل بالتناقص. يمكن اعتبار ذلك ناتجًا عن دخول شحنات معاكسة، والتي تلغي الشحنات الموجودة على الموصل في نهاية النصف الأول من الدورة. خطوط المجال الكهربائي المتولدة من الشحنات المعاكسة هي 3 وتتحرك مسافة λ∕4، والتي يتم تمثيلها بالخطوط المنقطة في الشكل 6 (ب).
النتيجة النهائية هي وجود ثلاثة خطوط مجال كهربائي متجهة للأسفل في المسافة الأولى (λ/4)، وثلاثة خطوط مجال كهربائي متجهة للأعلى في المسافة الثانية (λ/4). ولأنه لا توجد شحنة صافية على الهوائي، يجب إجبار خطوط المجال الكهربائي على الانفصال عن الموصل والاندماج معًا لتشكيل حلقة مغلقة. يوضح الشكل 6(ج) ذلك. في النصف الثاني، تتكرر العملية الفيزيائية نفسها، ولكن مع ملاحظة أن الاتجاه معاكس. بعد ذلك، تتكرر العملية وتستمر إلى ما لا نهاية، مُشكلةً توزيعًا للمجال الكهربائي مشابهًا للشكل 4.
الشكل 6
لمعرفة المزيد عن الهوائيات، يرجى زيارة:
تاريخ النشر: 20 يونيو 2024
