Quandu si tratta diantenne, a quistione chì preoccupa di più a ghjente hè "Cumu si ottiene veramente a radiazione?" Cumu si propaga u campu elettromagneticu generatu da a fonte di u signale attraversu a linea di trasmissione è in l'antenna, è infine si "separa" da l'antenna per furmà un'onda in u spaziu liberu.
1. Radiazione à un solu filu
Supponemu chì a densità di carica, espressa cum'è qv (Coulomb/m3), sia distribuita uniformemente in un filu circulare cù una sezione trasversale di a è un vulume di V, cum'è mostratu in a Figura 1.
Figura 1
A carica tutale Q in u vulume V si move in a direzzione z à una velocità uniforme Vz (m/s). Si pò pruvà chì a densità di corrente Jz nantu à a sezione trasversale di u filu hè:
Jz = qv vz (1)
Sè u filu hè fattu di un cunduttore ideale, a densità di currente Js nantu à a superficia di u filu hè:
Js = qs vz (2)
Induve qs hè a densità di carica superficiale. Sè u filu hè assai finu (idealmente, u raghju hè 0), a corrente in u filu pò esse espressa cum'è:
Iz = ql vz (3)
Induve ql (coulomb/metru) hè a carica per unità di lunghezza.
Simu soprattuttu interessati à i fili fini, è e cunclusioni s'applicanu à i trè casi sopra menzionati. Sè a corrente hè variabile in u tempu, a derivata di a formula (3) in rispettu à u tempu hè a seguente:
(4)
az hè l'accelerazione di carica. Sè a lunghezza di u filu hè l, (4) pò esse scritta cusì:
(5)
L'equazione (5) hè a relazione basica trà a corrente è a carica, è ancu a relazione basica di a radiazione elettromagnetica. In poche parole, per pruduce radiazione, ci deve esse una corrente variabile in u tempu o una accelerazione (o decelerazione) di carica. Di solitu menzionemu a corrente in l'applicazioni armoniche di u tempu, è a carica hè più spessu menzionata in l'applicazioni transitorie. Per pruduce una accelerazione (o decelerazione) di carica, u filu deve esse piegatu, piegatu è discontinuu. Quandu a carica oscilla in un muvimentu armonicu di u tempu, pruducerà ancu una accelerazione (o decelerazione) di carica periodica o una corrente variabile in u tempu. Dunque:
1) Sè a carica ùn si move micca, ùn ci serà nè currente nè radiazione.
2) Sè a carica si move à una velocità costante:
a. Sè u filu hè drittu è di lunghezza infinita, ùn ci hè micca radiazione.
b. Sè u filu hè piegatu, piegatu o discontinuu, cum'è mostratu in a Figura 2, ci hè radiazione.
3) Sè a carica oscilla cù u tempu, a carica irradierà ancu s'è u filu hè drittu.
Figura 2
Una capiscitura qualitativa di u mecanismu di radiazione pò esse ottenuta fighjendu una fonte pulsata cunnessa à un filu apertu chì pò esse messu à terra per mezu di una carica à a so estremità aperta, cum'è mostratu in a Figura 2(d). Quandu u filu hè inizialmente energizatu, e cariche (elettroni liberi) in u filu sò messi in muvimentu da e linee di campu elettricu generate da a fonte. Mentre e cariche sò accelerate à l'estremità di a fonte di u filu è decelerate (accelerazione negativa relativa à u muvimentu originale) quandu sò riflesse à a so estremità, un campu di radiazione hè generatu à e so estremità è longu u restu di u filu. L'accelerazione di e cariche hè ottenuta da una fonte esterna di forza chì mette in muvimentu e cariche è produce u campu di radiazione assuciatu. A decelerazione di e cariche à l'estremità di u filu hè ottenuta da forze interne assuciate à u campu induttu, chì hè causatu da l'accumulazione di cariche cuncentrate à l'estremità di u filu. E forze interne guadagnanu energia da l'accumulazione di carica mentre a so velocità diminuisce à zeru à l'estremità di u filu. Dunque, l'accelerazione di e cariche per via di l'eccitazione di u campu elettricu è a decelerazione di e cariche per via di a discontinuità o di a curva liscia di l'impedenza di u filu sò i meccanismi per a generazione di radiazione elettromagnetica. Ancu s'è a densità di corrente (Jc) è a densità di carica (qv) sò termini di fonte in l'equazioni di Maxwell, a carica hè cunsiderata cum'è una quantità più fundamentale, in particulare per i campi transitori. Ancu s'è sta spiegazione di a radiazione hè aduprata principalmente per i stati transitori, pò ancu esse aduprata per spiegà a radiazione in statu stazionariu.
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2. Radiazione à dui fili
Cunnette una fonte di tensione à una linea di trasmissione à dui cunduttori cunnessa à un'antenna, cum'è mostratu in a Figura 3(a). L'applicazione di tensione à a linea à dui fili genera un campu elettricu trà i cunduttori. E linee di campu elettricu agiscenu nantu à l'elettroni liberi (facilmente separati da l'atomi) cunnessi à ogni cunduttore è li furzanu à spustassi. U muvimentu di e cariche genera corrente, chì à u so tornu genera un campu magneticu.
Figura 3
Avemu accettatu chì e linee di campu elettricu cumincianu cù cariche pusitivi è finiscenu cù cariche negative. Benintesa, ponu ancu cumincià cù cariche pusitivi è finisce à l'infinitu; o cumincià à l'infinitu è finisce cù cariche negative; o furmà circuiti chjusi chì ùn cumincianu nè finiscenu cù alcuna carica. E linee di campu magneticu formanu sempre circuiti chjusi intornu à i cunduttori chì portanu corrente perchè ùn ci sò micca cariche magnetiche in fisica. In alcune formule matematiche, cariche magnetiche equivalenti è currenti magnetiche sò introdutte per mustrà a dualità trà e soluzioni chì implicanu fonti di putenza è magnetiche.
E linee di campu elettricu tracciate trà dui cunduttori aiutanu à mustrà a distribuzione di a carica. Sè supponemu chì a fonte di tensione hè sinusoidale, ci aspettiamu chì u campu elettricu trà i cunduttori sia ancu sinusoidale cù un periodu uguale à quellu di a fonte. A magnitudine relativa di a forza di u campu elettricu hè rapprisentata da a densità di e linee di campu elettricu, è e frecce indicanu a direzzione relativa (positiva o negativa). A generazione di campi elettrichi è magnetichi variabili in u tempu trà i cunduttori forma un'onda elettromagnetica chì si propaga longu a linea di trasmissione, cum'è mostratu in a Figura 3 (a). L'onda elettromagnetica entra in l'antenna cù a carica è a corrente currispondente. Sè rimuovemu una parte di a struttura di l'antenna, cum'è mostratu in a Figura 3 (b), un'onda di spaziu liberu pò esse furmata "cunnettendu" l'estremità aperte di e linee di campu elettricu (mostrate da e linee punteggiate). L'onda di spaziu liberu hè ancu periodica, ma u puntu di fase costante P0 si move versu l'esternu à a velocità di a luce è percorre una distanza di λ / 2 (à P1) in mezu periodu di tempu. Vicinu à l'antenna, u puntu di fase costante P0 si move più veloce di a velocità di a luce è s'avvicina à a velocità di a luce in i punti luntani da l'antenna. A figura 4 mostra a distribuzione di u campu elettricu in u spaziu liberu di l'antenna λ∕2 à t = 0, t/8, t/4 è 3T/8.
Figura 4 Distribuzione di u campu elettricu in u spaziu liberu di l'antenna λ∕2 à t = 0, t/8, t/4 è 3T/8
Ùn si sà micca cumu l'onde guidate sò separate da l'antenna è infine furmate per propagassi in u spaziu liberu. Pudemu paragunà l'onde guidate è di u spaziu liberu à l'onde di l'acqua, chì ponu esse causate da una petra cascata in un corpu d'acqua calmu o in altri modi. Una volta chì u disturbu in l'acqua cumencia, l'onde di l'acqua sò generate è cumincianu à propagassi versu l'esternu. Ancu s'è u disturbu si ferma, l'onde ùn si fermanu micca ma cuntinueghjanu à propagassi in avanti. Sè u disturbu persiste, nove onde sò generate constantemente, è a propagazione di queste onde hè in ritardu rispetto à l'altre onde.
U listessu hè veru per l'onde elettromagnetiche generate da disturbi elettrici. Sè u disturbu elettricu iniziale da a fonte hè di corta durata, l'onde elettromagnetiche generate si propaganu in a linea di trasmissione, poi entranu in l'antenna, è infine irradianu cum'è onde di spaziu liberu, ancu s'è l'eccitazione ùn hè più presente (cum'è l'onde d'acqua è u disturbu ch'elli anu creatu). Sè u disturbu elettricu hè cuntinuu, l'onde elettromagnetiche esistenu cuntinuamente è seguitanu da vicinu durante a propagazione, cum'è mostratu in l'antenna biconica mostrata in a Figura 5. Quandu l'onde elettromagnetiche sò in e linee di trasmissione è l'antenne, a so esistenza hè ligata à l'esistenza di carica elettrica in u cunduttore. Tuttavia, quandu l'onde sò irradiate, formanu un circuitu chjusu è ùn ci hè micca carica per mantene a so esistenza. Questu ci porta à a cunclusione chì:
L'eccitazione di u campu richiede l'accelerazione è a decelerazione di a carica, ma u mantenimentu di u campu ùn richiede micca l'accelerazione è a decelerazione di a carica.
Figura 5
3. Radiazione di dipolo
Pruvemu à spiegà u mecanismu per u quale e linee di campu elettricu si staccanu da l'antenna è formanu onde in u spaziu liberu, è pigliemu l'antenna dipola cum'è esempiu. Ancu s'ella hè una spiegazione simplificata, permette ancu à e persone di vede intuitivamente a generazione di onde in u spaziu liberu. A Figura 6(a) mostra e linee di campu elettricu generate trà i dui bracci di u dipolo quandu e linee di campu elettricu si movenu versu l'esternu di λ∕4 in u primu quartu di u ciclu. Per questu esempiu, supponemu chì u numeru di linee di campu elettricu furmate sia 3. In u prossimu quartu di u ciclu, e trè linee di campu elettricu originali si movenu di un altru λ∕4 (un totale di λ∕2 da u puntu di partenza), è a densità di carica nantu à u cunduttore cumencia à diminuisce. Pò esse cunsiderata cum'è furmata da l'introduzione di cariche opposte, chì annullanu e cariche nantu à u cunduttore à a fine di a prima metà di u ciclu. E linee di campu elettricu generate da e cariche opposte sò 3 è si movenu di una distanza di λ∕4, chì hè rapprisentata da e linee punteggiate in a Figura 6(b).
U risultatu finale hè chì ci sò trè linee di campu elettricu discendenti in a prima distanza λ∕4 è u listessu numeru di linee di campu elettricu ascendente in a seconda distanza λ∕4. Siccomu ùn ci hè micca carica netta nantu à l'antenna, e linee di campu elettricu devenu esse furzate à separassi da u cunduttore è à cumbinà si inseme per furmà un circuitu chjusu. Questu hè mostratu in a Figura 6(c). In a seconda metà, si seguita u listessu prucessu fisicu, ma nutate chì a direzzione hè opposta. Dopu à quessa, u prucessu si ripete è cuntinueghja indefinitamente, furmendu una distribuzione di campu elettricu simile à a Figura 4.
Figura 6
Per sapenne di più nantu à l'antenne, visitate:
Data di publicazione: 20 di ghjugnu di u 2024
