Wie Antenne strahlt (wie Ströme durch Draht fließen)

Ich verstehe nicht, wie Antennen ein Signal ausstrahlen.

Ich verstehe die Grundlagen der Antenne (Wellenlänge, Elektronen-E-Feld, ...), aber ich verstehe einfach nicht, wie Strom durch ein Kabel fließen kann, das keinen negativen Pol hat.

Kannst du mir das bitte erklären?

Ich vermute, Sie verstehen nicht, wie Strom fließen kann, wenn es keinen vollständigen Stromkreis gibt. Nehmen wir als Beispiel einen einfachen Viertelwellendipol:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Wie kann ein Strom fließen, da kein vollständiger Stromkreis von "-" nach "+" von V1 besteht?

Bedenken Sie Folgendes: In Bezug auf die Geschwindigkeit, mit der sich die Wellen in den elektromagnetischen Feldern ausbreiten, ist der Dipol lang. Es ist wahr, dass kein Strom fließen kann, aber es weiß es nicht, bis es das Ende des Kabels erreicht. Wenn sich der Strom dem Ende des Kabels nähert, aber keinen Platz mehr hat, häufen sich die Ladungen, bis sie in die andere Richtung zurückgeschoben werden. Wenn es zurück ist, ist es gereist oder hat eine 180 ∘ erlebt$\lambda/2$$180^\circ$ Phasenverschiebung von . Die Spannung an V1 hat sich zu diesem Zeitpunkt ebenfalls geändert, und daher addiert sich der Strom konstruktiv zu den neuen Strömen, die von V1 erzeugt werden. Wäre ein Teil dieser Energie nicht als Strahlung verloren gegangen, würde die Energie in dieser Antenne unbegrenzt wachsen.

Warum die Energie strahlt, ist kompliziert. Die lange Antwort lautet " Maxwell-Gleichungen ". Wenn Sie nicht alle wichtigen Details dieser Mathematik verstehen möchten, ist dies ein einfaches, unvollständiges Verständnis: Der Strom in einer Antenne ist einem Magnetfeld zugeordnet, und die Spannung ist einem elektrischen Feld zugeordnet. Eine Antenne ist eine Anordnung, bei der in einiger Entfernung von der Antenne (dem Fernfeld ) diese beiden Felder senkrecht und gleichphasig zueinander stehen und Sie eine sich selbst ausbreitende Welle wie diese erhalten:

Rot ist das elektrische Feld (E) und Blau ist das magnetische Feld (B). Dies ist die Art von Welle, die von einem auf die Z-Achse ausgerichteten Dipol ausgesendet wird.

Hier ist eine vereinfachte Version, die mir geholfen hat, meine eigene Unwissenheit zu überwinden.

Grundsätzlich gibt es zwei Arten kleiner Antennen: die kleine Rahmenantenne und die kurze Dipolantenne. Die kleine Rahmenantenne ist nur ein Drahtring, und jeder Strom im Draht erzeugt ein Magnetfeld, das die Antenne umgibt. Das Gerät ist ein Induktor, der jedoch ein großes, raumfüllendes Magnetfeld aufweist.

Andererseits ist die kurze Dipolantenne nur ein Paar "Kondensatorplatten" aus Metall, die in die Luft ragen, und wenn eine Spannung an sie angelegt wird, entsteht im umgebenden Raum ein E-Feld. Das Gerät ist nur ein Kondensator, hat aber auch hier ein großes raumfüllendes Feld in der Umgebung.

Wenden Sie eine Sinuswelle anstelle einer konstanten Spannung oder eines konstanten Stroms an, und die Felder um die "Antennen" dehnen sich aus, ziehen sich dann auf Null zusammen, dehnen sich dann wieder aus, zeigen jedoch nach hinten ... und wiederholen sich dann. Es werden keine Wellen erzeugt, es handelt sich also überhaupt nicht um Radioantennen. Sie erzeugen jedoch einige lokale EM-Felder im Weltraum.

Hier ist das "TEAL" -Videoprojekt am MIT mit einer visuellen Version des Prozesses:

B-Feld oder E-Feld erweitern / verkleinern

Okay so weit? Die Rahmenantenne erzeugt ein Magnetfeld und die Dipolantenne erzeugt ein elektrisches Feld. Das seltsame Zeug passiert, wenn wir eine der Antennen mit sehr hoher Frequenz ansteuern. Das oder wir können eine Version von jeder Antenne mit einer solchen Größe bauen, dass sogar 60 Hz eine Art "Funksignal" sein wird, was die Antenne betrifft.

Hier ist die Sache: Die magnetischen oder elektrischen Felder, die diese Antennen umgeben, können sich nicht schneller ausdehnen oder zusammenziehen als die Lichtgeschwindigkeit. Was passiert also, wenn die an diese Geräte angelegten Wechselstromimpulse "zu schnell" sind? Die Felder um Induktivitäten oder Kondensatoren müssen sich nach außen aufblähen und dann wieder angesaugt werden, aber was ist, wenn die Geschwindigkeiten fast der Lichtgeschwindigkeit entsprechen? Dann hören die Felder auf, sich wie das Aufblasen oder Zusammenziehen unsichtbarer Ballons zu verhalten. Stattdessen verhalten sich die Felder wie Wellen.

Wenn wir also die Polarität während der Wechselstrom-Sinuswelle umkehren, wird das E- oder B-Feld nicht wie gewohnt vollständig zurückgesaugt. Stattdessen löst es sich von der Antenne und bleibt einfach in Bewegung. Ein Teil der Feld-Energie wird nicht zurückgewonnen, sondern geht in den Weltraum verloren. Unsere Rahmenantenne ist nicht mehr nur ein Induktor, sondern erzeugt Wellen. Und unser Dipol ist jetzt ein Wellenwerfer und nicht nur ein Kondensator.

YT vid: EM-Felder, die kleine Antennen umgeben

Gute Frage! Komplexe Antwort. Um zu verstehen, warum dies ohne einen Rückweg ("negativer Pol") geschieht, muss man über das Ohmsche Gesetz hinausgehen.

Alle beschleunigten Ladungen strahlen aus. Also alles , dass leitet Strom wirkt als Antenne abwechselnd. Allerdings sind sie oft schlechte Antennen und strahlen nicht gut aus. Infolgedessen kann dieser Aspekt häufig einfach ignoriert werden, um das Problem zu vereinfachen.

Um eine gute Antenne herzustellen, muss man Leistung (die Energie ist in Spannungen und Strömen enthalten) in elektromagnetische Strahlung (wobei die Energie in den E- und H-Feldern enthalten ist) umwandeln, die sich von der Antenne wegbewegt. Dies setzt voraus, dass die Impedanz Ihrer Antenne grob angepasst ist und sich die Strahlungsströme phasengleich addieren, damit sie sich nicht wie in einer Übertragungsleitung gegenseitig aufheben. Wie Jim Dearden erwähnt hat, können Sie dies so gestalten, dass stehende Wellen entstehen oder diese je nach physischer Länge aufgehoben werden.

Das Problem mit Ihrer Frage "keinen negativen Pol haben" hängt mit der Verwendung eines vereinfachten Schaltungsmodells zusammen, das sich nicht mit den 3D-Aspekten und Feldern von Spannung und Strom befasst. Strom kann in allem fließen, was leitend ist (Pole oder keine Pole). Externe elektromagnetische Wellen tun dies immer. Es gibt jedoch kein Ohm-Gesetz-Modell, das dies vorhersagen kann.

Um vom einfachen Ohmschen Gesetz abzuweichen, haben die Ingenieure ein Modell des "Strahlungswiderstands" übernommen. Dies wird in ähnlicher Weise wie der Ohmsche Standardwiderstand verwendet. Im Ohmschen Gesetz wird die abgegebene Energie in Wärme umgewandelt. Im Strahlungswiderstandsmodell wird die abgegebene Energie in Strahlung umgewandelt.

Der Strahlungswiderstand ist nur ein einfaches Hilfsmittel, mit dem Ingenieure ein bekanntes Schaltungselement (dh normalerweise ein HF-Typ, der ihn für Sie berechnet hat) bewerten können, ohne die Maxwell-Gleichungen verwenden und die Randbedingungen auf den physikalischen Schaltkreis anwenden zu müssen, um die Strahlungsmodi genau zu verstehen.

Der eigentliche Schlüssel zum Verständnis des Verhaltens eines Stromkreises besteht darin, zu verstehen, wann die Strahlungsaspekte zu berücksichtigen sind. Wenn die Betriebsfrequenz einer Schaltung eine Wellenlänge hat, die physikalisch nahe an der Größe der Schaltung liegt, beginnt das Ohmsche Gesetz schnell zusammenzubrechen. Als Faustregel gilt: Wenn das Verhältnis zwischen Wellenlänge und Schaltkreisgröße größer als 0,1 ist, müssen Sie die Maxwell-Gleichungen anwenden, um zu verstehen, wie dieser Schaltkreis funktioniert. Die Begriffe "Viertelwellen" -Antenne sollten daher ein Hinweis darauf sein, dass Sie die EM-Theorie anwenden müssen, um zu verstehen, was die Schaltung tut.

Wenn Sie Zeit haben, versuchen Sie, diesen Artikel zum Verständnis der EM-Strahlung zu verdauen . Es wurde entwickelt, um Ingenieuren beizubringen, wie Schaltkreise auf eine Weise funktionieren können, die das Ohmsche Gesetz nicht vorhersagt. Es enthält eine Menge EM-Theorie, aber Sie müssen nicht wirklich alles verstehen, um zu verstehen, dass es einen großen Unterschied in der Schaltungsanalyse gibt, wenn sich Ihre Betriebsfrequenz der physikalischen Größe Ihres Schaltkreises nähert.

EDIT: Ich dachte gerade an ein anderes Beispiel, das helfen könnte. Kondensatoren haben keine Rückwege, sie sind nur offene Stromkreise, aber irgendwie funktionieren sie, oder? Dies (und Induktoren, die nur Kurzschlüsse sind) funktionieren nur aufgrund ihrer Strahlungseigenschaften. Ingenieure haben eine Möglichkeit gefunden, die EM-Gleichungen in feste Elemente (oder konzentrierte Elemente) umzuwandeln, damit sie in Ohmsche Modelle integriert werden können, die die Arbeit mit ihnen erleichtern. Wie bei Antennen kann viel mehr los sein als nur ein Stück Metall, das nirgendwo hingehört.

Dies beantwortet das Q vielleicht nicht wirklich, aber im Gegensatz zu einigen ausführlichen Erläuterungen in Textform kam das Verständnis eines Dipols (einer Antenne) - und wie er ausstrahlen kann - aus dem Verständnis der LC-Schaltung https://en.wikipedia.org/wiki /File:LC_parallel_simple.svg

Nachdem Sie diese einfache Animation gesehen haben ("Wie sich ein Dipol bildet"):

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

Das war wirklich aufschlussreich, im Gegensatz zu einer Menge Text.

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

Wie Ströme durch den Draht in einer Antenne fließen, hat mit der Tatsache zu tun, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist und die Antenne eine Größe ungleich Null (relativ zur Lichtgeschwindigkeit bei der Entwurfsfrequenz der Antenne) sowie eine Größe ungleich Null aufweist. Nullkapazität. Grundlegende Physik.

Da die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, kann ein Ende eines Kabels mit einer Länge ungleich Null eine andere Spannung und eine andere Ladung aufweisen als das andere Ende, da die Lichtgeschwindigkeit ein sofortiges Ausgleichen verhindert. Es wird einige Zeit benötigt (in der Größenordnung von etwa einer Nanosekunde pro Fuß Draht oder etwa 3 nS pro Meter, vielleicht sogar etwas langsamer).

Angenommen, Sie verbinden einen Draht mit einer Batterie, Strom oder Elektronen fließen in einem Ende und aus dem anderen heraus. Was aber, wenn der Draht so lang ist, dass die Lichtgeschwindigkeit von einem Ende zum anderen 0,25 µs beträgt? Wenn dann Strom an einem Ende zu fließen beginnt, "weiß" dieser Strom erst 0,25 us später wirklich, ob Strom am anderen Ende des Kabels in die Batterie fließt.

Wenn Sie also nur ein Ende eines Kabels an eine Spannungsquelle anschließen, beginnt der Strom zu fließen, und wenn er das andere Ende des Kabels erreicht, lädt er sich wie ein Kondensator am anderen Ende des Kabels auf, da er keine hat wohin sonst (kein gegenüberliegender Batterieanschluss gefunden). Wenn Sie das nahe Ende jedoch mit einem 1 - MHz - Oszillator anstelle einer Gleichstrombatterie betreiben, kehrt das nahe Ende die Spannung gerade noch rechtzeitig um, um den Kondensator zu entladen (da weitere 0,25 µs erforderlich sind) damit diese Ladung zum Einspeisepunkt zurückkehrt).

Diese endliche Länge des Drahtes hat auch Induktivität. Diese Induktivität verursacht eine umgekehrte EMF, die der Ladung widersteht, die den Draht hinauf wandert. Dieser Widerstand verursacht einen Energieverlust im Draht, und die Energieerhaltung versetzt diese Energie in ein elektromagnetisches Feld, das mit Lichtgeschwindigkeit von der Antenne weg rast und schneller ist als jede entgegenwirkende Welle (verursacht durch die Ladung in den Drahtumkehrrichtungen). kann aufholen und abbrechen. Diese alternierenden EM-Feldfronten wandeln sich in Standard-HF-Wellen um, wenn sie vom Nahfeld der Antenne wegstrahlen.

Der negative Pol des Stromkreises ist das ferne Ende der anderen Hälfte eines Dipols, der umgekehrt geladen und entladen wird. Oder bei einer vertikalen Monopolantenne ist die Planetenerde (und / oder das Erdungskabel, das Radiogehäuse, Ihre Hand und schließlich das gesamte Universum) die gegenüberliegende Platte des Kondensators.

Ich denke, dieser Ansatz, obwohl nicht ganz korrekt, kann helfen. Stellen Sie sich eine Batterie und zwei Kabel vor, die an den offenen Enden angeschlossen sind. In der Batterie ist ein Potent vorhanden. Das bedeutet, dass in der Batterie ein elektrisches Feld vorhanden ist. Dieses Feld ist nun durch das angeschlossene Kabel hindurch und führt zu einer Akkumulation von + ve und -ve Ladungen an den jeweiligen Enden, bis dasselbe Potential erreicht ist. Dies bleibt so lange bestehen, bis das Potential der Batterie nicht geändert wird. Jetzt haben beide offenen Enden das gleiche Potenzial wie die Batterie. Wenn ich nun das Potenzial der Batterie erhöhe, werden einige weitere Ladungen an die Enden verschoben, bis das Potenzial ausgeglichen ist. Und wenn ich das Potenzial verringere, werden einige Ladungen zurückgehen. Die Bewegung der Ladungen ist jedoch nur für einen kurzen Zeitraum. Diese Bewegung geschieht kontinuierlich, wenn eine Wechselspannung angelegt wird. effektiv die Ladungen zu oszillieren und somit EM-Wellen zu erzeugen. Hoffe das hilft :)

Strahlungs- und Antennenmechanismus

Funkwellen sind unsichtbarer Wechselstrom in der Atmosphäre. Lichtwellen sind sichtbarer Wechselstrom in der Atmosphäre.

Die Antenne ist ein Anschluss für elektrischen Strom; Es fließt kein Strom durch eine Antenne, nur die Spannung schwingt mit dem Eingangsstrom. Diese oszillierende Spannung in der Sendeantenne induziert einen Wechselstrom in der Luft, der sich unter einem Winkel von 90 Grad von der Oberfläche der Antenne weg ausbreitet und durch die Luft strömt, um die Empfangsantenne zu erreichen und darin eine oszillierende Spannung zu induzieren.

Dabei ist die Antenne wie ein Ballon, der Strom wie Luft und die Spannung wie Luftdruck.

Wenn Luft in den Ballon hinein und aus ihm heraus gepumpt wird, ändert sich der Druck im Ballon ständig und erzeugt in der Luft longitudinale Schallwellen.

In ähnlicher Weise ändert sich die Spannung in der Antenne und erzeugt in der Luft elektrostatische Longitudinalwellen, wenn Elektronen in die Antenne hinein und aus dieser heraus gepumpt werden. Dies ist in der Tat Wechselstrom in der Luft.

Im Vakuumraum leitet Coulombs Kraft die elektrische Energie. Die Sichtlinienelektronen auf den Oberflächen der Antennen stoßen sich ständig mit Coulombs Kraft ab. F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2.

Diese Abstoßungskraft wirkt wie ein starrer Stab ohne Masse und Körper und überträgt die elektrische Energie sofort frei zwischen den beiden Antennen hin und her.

Halten Sie in jeder Hand einen Magneten, wobei die gleichen Pole einander zugewandt sind. Spüren Sie die starke Abstoßungskraft? Ja. Eine Hand ein- und ausschwenken. Spüren Sie die kinetische Energie, die sofort auf die andere Hand übertragen wird? Ja. Winken die beiden Hände mit der gleichen Frequenz? Ja. Gibt es eine magnetische Welle zwischen den beiden Händen? Nein.

Die Abstoßungsmagnetkraft ist der Leiter der kinetischen Energie zwischen den beiden Händen, wodurch die kinetische Energie sofort frei übertragen werden kann. Wir können dieses Phänomen als magnetische Strahlung bezeichnen.

Wenn wir statt Magneten Elektronen in der Hand halten, handelt es sich um elektrostatische Strahlung, eine Fehlinterpretation der elektromagnetischen Strahlung durch Wissenschaftler.

Die Wechselstromrichtung ist immer senkrecht zur Oberfläche der Antenne und breitet sich in der Luft als Longitudinalwelle aus.