Comment l’antenne rayonne (comment les courants circulent dans le fil)

Je ne comprends pas comment les antennes émettent un signal.

Je comprends les bases de l'antenne (longueur d'onde, champ d'électrons E, ...), mais je ne comprends tout simplement pas comment un courant peut traverser un fil sans pôle négatif.

Pouvez-vous s'il vous plaît m'expliquer cela?

Je suppose que vous ne comprenez pas comment le courant peut circuler s'il n'y a pas de circuit complet. Prenons l'exemple d'un dipôle quart d'onde simple:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Comment n'importe quel courant peut-il circuler, puisqu'il n'y a pas de circuit complet de "-" à "+" de V1?

$\lambda/2$$180^\circ$ déphasage. La tension à V1 a également changé de ce point et le courant s’ajoute donc de manière constructive aux nouveaux courants produits par V1. S'il n'y avait pas une partie de cette énergie perdue sous forme de rayonnement, l'énergie de cette antenne croîtrait sans limite.

Pourquoi l'énergie rayonne est compliqué. La réponse longue est "les équations de Maxwell ". Si vous ne voulez pas comprendre tous les détails de ce calcul, voici une compréhension simple et incomplète: le courant dans une antenne est associé à un champ magnétique et la tension est associée à un champ électrique. Une antenne est un agencement tel qu’à une certaine distance de l’antenne (le champ lointain ), ces deux champs sont perpendiculaires et en phase, et vous obtenez une onde qui se propage automatiquement comme ceci:

Le rouge est le champ électrique (E) et le bleu est le champ magnétique (B). C'est le type d'onde qui serait émise par un dipôle aligné sur l'axe Z.

Voici une version simplifiée à l'extrême qui m'a permis de dépasser ma propre ignorance noob.

Il existe essentiellement deux types de petites antennes: l’antenne petite boucle et l’antenne dipôle courte. La petite antenne cadre n'est qu'un anneau de fil et tout courant dans le fil produit un champ magnétique entourant l'antenne. Le dispositif est un inducteur, mais celui-ci a un grand champ magnétique remplissant l'espace.

D'autre part, l'antenne dipôle courte est simplement une paire de "plaques de condensateur" en métal qui sortent dans l'air, et si une tension leur est appliquée, il y aura un champ électronique dans l'espace environnant. L'appareil est juste un condensateur, mais encore une fois, il a un grand champ remplissant l'espace dans la région environnante.

Appliquez une onde sinusoïdale à la place de la tension ou du courant constants, et les champs autour des "antennes" se développeront, puis se contracteront à zéro, puis se développeront à nouveau mais en pointant en arrière ... puis répétez. Aucune onde n'est générée, donc ce ne sont vraiment pas du tout des antennes radio. Mais ils créent des champs EM locaux dans l’espace.

Voici le projet vidéo "TEAL" au MIT avec une version visuelle du processus:

Expansion / sous-traitance b-field ou e-field

OK jusqu'ici? L'antenne cadre génère un champ magnétique et l'antenne dipôle génère un champ électrique. Les choses étranges commencent à se produire lorsque nous conduisons l’une ou l’autre antenne à très haute fréquence. Ça ou nous pouvons construire une version de l'une ou l'autre antenne avec une taille telle que même 60Hz sera un type de "signal radio" en ce qui concerne l'antenne.

Voici la chose: les champs magnétiques ou électriques entourant ces antennes ne peuvent pas s'étendre ou se contracter plus vite que la vitesse de la lumière. Alors, que se passe-t-il si les impulsions AC appliquées à ces appareils sont "trop ​​rapides?" Les champs autour des inductances ou des condensateurs doivent se gonfler vers l’extérieur, puis être à nouveau aspirés. Mais que se passe-t-il si les vitesses sont proches de la vitesse de la lumière? C'est alors que les champs cessent d'agir comme gonfler ou contracter des ballons invisibles. Au lieu de cela, les champs commencent à se comporter comme des vagues.

Ainsi, lorsque nous inversons la polarité pendant l'onde sinusoïdale alternative, le champ e ou le champ b n'est pas entièrement aspiré comme d'habitude. Au lieu de cela, il se détache de l’antenne et ne cesse de bouger. Une partie de l'énergie de champ n'est pas récupérée, elle est perdue dans l'espace. Notre antenne cadre n'est plus seulement une inductance et commence à faire des vagues. Et notre dipôle est maintenant un lanceur de vagues et pas seulement un condensateur.

YT vid: champs électromagnétiques entourant la petite antenne

Bonne question! Réponse complexe. Pour comprendre pourquoi cela se produit sans chemin de retour ("pôle négatif"), il faut aller au-delà de Ohms-Law.

Toutes les charges accélérées rayonnent. Donc tout qui conduit à courant alternatif agit comme une antenne. Cependant, elles sont souvent de mauvaises antennes et ne rayonnent pas bien. En conséquence, cet aspect peut souvent être simplement ignoré pour simplifier le problème.

Pour faire une bonne antenne, vous devez transférer l’énergie (l’énergie est contenue dans les tensions et les courants) en rayonnement électromagnétique (où l’énergie est contenue dans les champs E et H) s’éloignant de l’antenne. Cela nécessite que l'impédance de votre antenne soit approximativement identique et que les courants qui causent le rayonnement s'additionnent en phase afin de ne pas s'annuler, comme ils le feraient dans une ligne de transmission. Comme Jim Dearden l'a mentionné, vous pouvez concevoir cela pour obtenir des ondes stationnaires ou les annuler en fonction de la longueur physique.

Le problème avec votre question sur "ne pas avoir de pôle négatif" est lié à l'utilisation d'un modèle de circuit simplifié, indifférent aux aspects et aux champs de tension et de courant en 3D. Le courant peut circuler dans tout ce qui est conducteur (pôles ou pas de pôles). Les ondes électromagnétiques externes le font tout le temps. Cependant, aucun modèle à loi ohm ne peut prédire cela.

Les ingénieurs ont adopté un modèle de "résistance aux radiations" pour passer d'une étape à l'autre de la loi ohmique simple. Ceci est utilisé de la même manière que la résistance ohmique standard. Dans la loi des ohms, l'énergie dissipée est transformée en chaleur. Dans le modèle de résistance aux radiations, l’énergie dissipée est transformée en radiation.

La résistance aux radiations n’est qu’un simple outil pour aider les ingénieurs à évaluer un élément de circuit connu (c’est-à-dire généralement un calculateur le calculant pour vous) sans avoir à utiliser les équations de Maxwell et à appliquer les conditions aux limites au circuit physique pour comprendre exactement les modes de rayonnement.

La vraie clé pour comprendre le comportement d'un circuit est de comprendre quand les aspects de rayonnement sont importants à prendre en compte. Lorsque la fréquence de fonctionnement d'un circuit a une longueur d'onde physiquement proche de la taille du circuit, la loi d'Ohm commence à se décomposer rapidement. En règle générale, si le rapport entre la longueur d'onde et la taille du circuit est supérieur à 0,1, vous devez appliquer les équations de Maxwell pour comprendre le fonctionnement de ce circuit. Ainsi, les termes antenne "quart d'onde" doivent indiquer que vous devez appliquer la théorie EM pour comprendre le fonctionnement du circuit.

Si vous avez le temps, essayez de digérer cet article sur la compréhension du rayonnement EM . Il est conçu pour enseigner aux ingénieurs comment les circuits peuvent fonctionner d'une manière que la loi d'Ohm ne parvient pas à prévoir. Il contient beaucoup de théorie EM, mais vous n'avez pas besoin de comprendre tout cela pour comprendre qu'il existe une grande différence dans l'analyse de circuit lorsque votre fréquence de fonctionnement se rapproche de la taille physique de votre circuit.

EDIT: Je viens de penser à un autre exemple qui pourrait aider. Les condensateurs n'ont pas de voie de retour, ce sont juste des circuits ouverts, mais ils fonctionnent quand même, non? Ceci (et les inducteurs qui ne sont que des courts-circuits) ne fonctionne qu'en raison de leurs propriétés de rayonnement. Les ingénieurs ont trouvé un moyen de transformer les équations EM en éléments fixes (ou éléments regroupés) afin de pouvoir les incorporer dans des modèles à loi ohm, ce qui facilite leur utilisation. Comme avec les antennes, il peut y avoir beaucoup plus de choses qu'un simple morceau de métal assis là qui ne mène nulle part.

Cela ne répond peut-être pas vraiment au Q, mais contrairement à certaines explications textuelles plus approfondies, pour moi, comprendre un dipôle (antenne) et son rayonnement peuvent provenir de la compréhension du circuit LC https://en.wikipedia.org/wiki /File:LC_parallel_simple.svg

après avoir vu cette animation simple ("Comment se forme un dipôle"):

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

C'était vraiment révélateur, contrairement à une tonne de texte.

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

La façon dont les courants circulent dans le fil d’une antenne est liée au fait que la vitesse de la lumière est finie et que l’antenne a une taille non nulle (par rapport à la vitesse de la lumière à la fréquence de conception de l’antenne), ainsi que des valeurs non normales. capacité nulle. Physique de base.

En raison de la vitesse de la lumière finie, une extrémité d'un fil de longueur non nulle peut être à une tension différente et avoir une charge différente de l'autre extrémité, car la vitesse de la lumière les empêche de s'équilibrer instantanément. Il faudra un peu de temps (environ une nanoseconde pour chaque pied de fil, ou environ 3 nS par mètre, peut-être même un peu plus lentement).

Supposons que vous connectiez un fil à une batterie, que du courant ou des électrons circulent à une extrémité et sortent de l'autre. Mais que se passe-t-il si le fil est si long, disons 0,25 US pour que la vitesse de la lumière atteigne un bout à l’autre? Ensuite, si le courant commence à circuler à une extrémité, ce courant ne "saura" pas si le courant passe à l’autre extrémité du fil dans la batterie jusqu’à 0,25 us plus tard.

Donc, si vous ne connectez qu'une extrémité du fil à une source de tension, le courant commence à circuler et, lorsqu'il atteint l'autre extrémité du fil, charge l'extrémité la plus éloignée du fil, comme un condensateur, car il ne possède pas où aller (pas de borne de batterie opposée trouvée). Mais si vous conduisez l'extrémité proche avec un oscillateur de 1 MHz au lieu d'une batterie CC, au moment où l'extrémité distante se charge, l'extrémité proche inverse rapidement la tension, juste à temps pour décharger ce condensateur (car il faut encore 0,25 uS pour que cette charge retourne au point d'alimentation).

Cette longueur finie du fil a également une inductance. Cette inductance provoquera une force électromagnétique inverse résistant à la charge remontant le fil. Cette résistance provoque une perte d'énergie dans le fil et sa conservation place l'énergie dans un champ électromagnétique s'éloignant de l'antenne à la vitesse de la lumière et plus rapide que toute autre onde neutralisante (provoquée par la charge dans le sens inverse du fil) peut rattraper et annuler. Ces fronts de champ EM alternés se transforment en ondes RF standard lorsqu'ils s'éloignent du champ proche de l'antenne.

Le pôle négatif du circuit est l'extrémité distante de l'autre demi-dipôle, qui se charge et se décharge en sens inverse. Ou, dans le cas d'une antenne monopôle verticale, la planète Terre (et / ou le fil de terre, le boîtier de la radio, votre main, éventuellement tout l'univers) finit par être la plaque opposée du condensateur.

Je suppose que cette approche, même si elle n'est pas tout à fait correcte, peut aider. Essayez d'imaginer une batterie et 2 fils connectés à ses bornes ouvertes. Un puissant existe dans la batterie. Cela signifie qu’un champ électrique existe dans la batterie; à présent, ce champ traverse le fil connecté, ce qui entraîne l’accumulation de charges + et -ve aux extrémités respectives jusqu’à ce que le même potentiel soit atteint, jusqu’à ce que le potentiel de la batterie ne soit pas modifié. Maintenant, les deux extrémités ouvertes ont la même valeur de potentiel que celle de la batterie. Maintenant, si j'augmente le potentiel de la batterie, d'autres charges se déplaceront jusqu'aux extrémités jusqu'à ce que le potentiel soit équilibré. Et quand je diminue le potentiel, certaines charges vont revenir. Bien que le mouvement des charges est pour une courte période de temps. Ce mouvement se produit continuellement lorsqu'une tension alternative est appliquée, osciller efficacement les charges et donc produire des ondes électromagnétiques. J'espère que cela t'aides :)

Mécanisme de rayonnement et d'antenne

Les ondes radio sont des courants alternatifs invisibles dans l'atmosphère. Les ondes lumineuses sont visibles en alternance dans l'atmosphère.

L'antenne est une borne de courant électrique; il n'y a pas de courant traversant une antenne, seule la tension oscille avec le courant d'entrée. Cette tension oscillante dans l’antenne émettrice induit un courant alternatif dans l’air se propageant à 90 degrés de la surface de l’antenne, traversant l’air pour atteindre l’antenne réceptrice et y induire une tension oscillante.

Dans le processus, l'antenne est comme un ballon, le courant est comme l'air et la tension est comme la pression atmosphérique.

Lorsque l'air entre et sort du ballon, la pression dans le ballon continue à changer et à produire des ondes sonores longitudinales dans l'air.

De même, lorsque les électrons pompent dans et hors de l'antenne, la tension dans l'antenne continuera à changer et à produire des ondes électrostatiques longitudinales dans l'air. Il s’agit en fait d’un courant alternatif dans l’air.

Dans le vide, la force de Coulomb est le conducteur de l'énergie électrique. La ligne de visée des électrons à la surface des antennes se repousse constamment avec la force de Coulomb. F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2.

Cette force de répulsion agit comme une tige rigide sans masse ni corps, et transfère instantanément de l'énergie électrique librement dans les deux sens entre les deux antennes.

Hold a magnet in each hand, with the same poles facing each other. Do you feel the strong repulsion force? Yes. Wave one hand in and out. Feel the kinetic energy instantly transferred to the other hand? Yes. Are the two hands waving at the same frequency? Yes. Is there any magnetic wave traveling between the two hands? No.

The repulsion magnetic force is the conductor of kinetic energy between the two hands, enabling kinetic energy to freely transfer instantly. We can call this phenomenon magnetic radiation.

If we hold electrons in our hands instead of magnets, it is electrostatic radiation, a misinterpretation of electromagnetic radiation by scientists.

The alternating current direction is always perpendicular to the surface of the antenna, and it propagates in the air as a longitudinal wave.