Wie genau werden Funkwellen aus einem Strom in einem Stromkreis selbst erzeugt?

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Ich bin 17 Jahre alt und neu in der Elektronik. Ich habe alles online gelernt und erwarte, dies auch weiterhin mit allen Ressourcen zu tun. Ich habe mich umgegraben und kann keine präzisen Antworten auf diese Frage finden ...

Wie genau breiten sich Funkwellen aus und wie kann ich ein einfaches Schaltungspaar aufbauen, von dem einer die Funkwellen senden und der andere sie abfangen kann?

Ich habe verschiedene Dinge in verschiedenen Quellen gelesen und werde sie alle hier verlinken:

1. http://www.nrao.edu/index.php/learn/radioastronomy/radiowaves

Die oben erwähnte Stelle behauptet, dass Radiowellen im Wesentlichen EM sind (wusste das), erwähnt aber Photonen. Photonen sind die Essenz aller EM, aber in einer einfachen Schaltung fließt nur Strom durch die Batterie. Wie würde ich Photonen aus einem Einwegstrom erzeugen?

2. http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs%20/Communications/3-how-do-you-make-a-radio-wave.html

Diese Seite oben behauptet, dass Sie "eine Funkwelle erzeugen" können, indem Sie einfach ein elektrisches Feld haben, das ein elektrischer Stromkreis ist. Nach dieser Logik erzeugt also jeder Stromkreis Funkwellen wie sie sind? In diesem Fall würde ein homopolarer Motor auch technisch Radiowellen erzeugen (es ist eine vollständige Schaltung, ja)? Dann breiten sich die Funkwellen in einem Muster aus, abhängig davon, wie oft die Schaltung ein- und ausgeschaltet wird, sodass ich Daten durch Muster codieren kann, indem ich einfach die Batterie entferne und wieder in die Schaltung zurücklege. Ich verstehe es nicht Kann jemand diesen Artikel mehr klarstellen?

Was ich tun möchte, ist, zwei einfache Schaltkreise aus Kupfer herzustellen und eine Funkwelle zu erzeugen, die der andere Schaltkreis abfängt und ein UND-Gatter verwendet, um eine LED drahtlos einzuschalten.

Ich verstehe jedoch nicht genau, wie sich Funkwellen ausbreiten!

Gloria
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Sie müssen nicht verstehen, wie sich Radiowellen ausbreiten, um eine Schaltung aufzubauen - das habe ich jahrelang geschafft!
Andy aka
@Andyaka Das weiß ich! Ich möchte nur verstehen, wie man mit Radiowellen arbeitet, weil ich frustriert bin, wenn ich es nicht herausfinden kann. Um es besser auszudrücken, ich möchte ein Projekt durchführen, das mit Funkwellen sendet, damit ich ein Gefühl dafür bekomme, wie diese Übertragung funktioniert.
Gloria
Wie wäre es mit statischen magnetischen und elektrischen Feldern? Was ist mit magnetischen und elektrischen Wechselfeldern? So weit, ist es gut? Wenn nicht, müssen Sie zuerst die Grundlagen schaffen, um alternierende elektromagnetische Wellen erfassen zu können und wie sie vom Nahfeld zum Fernfeld gelangen. Ich habe keine Ahnung, wie Ihre Wissensbasis aussieht, daher kann ich nicht sagen, auf welcher Ebene ich mich dieser Frage nähern soll oder ob ich qualifiziert bin, sie zu beantworten, und ich werde die meisten Dinge ausprobieren!
Andy aka
Sie möchten "eine LED drahtlos einschalten", creative-science.org.uk/mobile_LED.html In Bezug auf "Wie genau breiten sich Funkwellen aus ?" Wird beim Stromfluss ein Magnetfeld senkrecht dazu erzeugt. Das Magnetfeld dehnt sich schnell aus. Wenn der Strom abnimmt, stoppt oder sich umkehrt, beginnt das Magnetfeld zu kollabieren, aber nicht das gesamte Magnetfeld kehrt zurück. Dieses sich ständig erweiternde verlorene Magnetfeld ist ein Funksignal.
Optionparty
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Um eine Funkwelle zu erzeugen, benötigen Sie Funkfrequenzen. Bei einer Frequenz von Null (Gleichstrom, Batterie) ist ein unendlicher Sender erforderlich, um eine Leistung von Null zu senden, und ein unendlicher Empfänger, um die Leistung von Null zu empfangen. Ja, Sie schalten zunächst die Stromversorgung / Batterie auf Hochfrequenz um.
David

Antworten:

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Sorgen Sie sich nicht um Photonen, es sei denn, Sie möchten sich in die Quantenphysik wagen. Ein Photon ist das Quantum elektromagnetischer Strahlung, das auch eine Welle ist. Ich habe noch keine Anwendung in der HF-Technik gefunden, bei der Quanteneffekte relevant sind.

In allen elektronischen Schaltkreisen gibt es zwei Felder: ein elektrisches und ein magnetisches. Das elektrische Feld ist mit Spannungen verbunden und das Magnetfeld mit Strömen.

Wir haben Komponenten, die starke elektrische Felder erzeugen: Kondensatoren.

Wir haben auch Komponenten, die starke Magnetfelder erzeugen: Induktoren.

In jeder dieser Komponenten betrachten wir eine Art von Feld als dominant. Aber überlegen Sie, was passiert, wenn wir das Magnetfeld durch einen Induktor schnell ändern, indem wir beispielsweise einen starken Permanentmagneten durch ihn führen: Zwischen den Anschlüssen des Induktors liegt eine Spannung an. Diese Spannung ist ein elektrisches Feld. Wir nennen dies Faradays Induktionsgesetz .

Ähnliches kann einem Kondensator passieren. Um das elektrische Feld zu ändern, muss ein Strom vorhanden sein. Oder wenn Sie es schaffen, das elektrische Feld zu ändern, finden Sie irgendwo einen Strom. Das Manipulieren des elektrischen Feldes in einem Kondensator ist schwieriger als das Fallenlassen eines Magneten durch eine Spule. Wenn Sie jedoch eine geeignete Versuchsapparatur konstruieren können, werden Sie feststellen, dass dies zutrifft.

Somit kann ein sich änderndes elektrisches Feld ein Magnetfeld erzeugen. Ein sich änderndes Magnetfeld kann ein elektrisches Feld erzeugen.

Elektromagnetische Strahlung sind diese beiden Felder, die sich im freien Raum gegenseitig erzeugen. Das elektrische Feld ändert sich, wodurch sich das Magnetfeld direkt davor ändert und sich das elektrische Feld direkt davor ändert ...

3D EM Strahlungsdiagramm

Damit diese Felder in einem solchen freien Raum wegstrahlen, müssen Sie beide in Phase senkrecht zueinander erstellen. Deshalb ist ein Kondensator keine gute Antenne: Er erzeugt ein starkes elektrisches Feld, aber das Magnetfeld ist relativ klein. Es strahlt ein wenig, aber meistens bleibt die Energie im elektrischen Feld stecken und kann nicht wegstrahlen, da es kein Magnetfeld hat, um es vom Kondensator wegzutragen. Gleiches gilt für einen Induktor, bei dem Strom und Spannung magnetisch und elektrisch ausgetauscht werden. Siehe Warum ist ein Induktor keine gute Antenne?

Antennen sind nur undichte Induktoren oder Kondensatoren. Viele Antennen sind gleichermaßen beide gleichzeitig, so dass ihre Impedanz bei der Entwurfsfrequenz eher rein resistiv als induktiv oder kapazitiv ist. Durch geschickte Geometrie erzeugen sie senkrecht und gleichphasig magnetische und elektrische Felder, die dann wegstrahlen.

Phil Frost
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@WEB_DOT_COMFOUR: Das ist zu viel Bearbeitung, denke ich. Sie stecken Phil Worte in den Mund, aber es sind Worte, die er nicht gesagt hat. Tatsächlich begann er seinen Beitrag mit "Mach dir keine Sorgen um Photonen ...". Die Bearbeitungsfunktion dient zur Behebung von Fehlern. Sie sollten die Bearbeitung rückgängig machen und Ihre eigene Antwort erstellen und auf Phils verweisen.
Transistor
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Radiowellen entstehen, wenn sich das elektrische Feld schnell ändert: Es muss ein Wechselstrom vorhanden sein.

Ein elektrisches Feld breitet sich im Weltraum aus. Wenn Sie ein elektrisches Feld ändern, ändern sich die entfernten Teile nicht sofort. Die Änderung ist durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Wenn Sie das elektrische Feld schwanken, erzeugen Sie daher eine Welle.

Sie können sich vorstellen, dass der Raum überall von einem elektrischen Feld durchdrungen wird. Ihr Kreislauf verursacht nur eine Störung, wie die Störung der Wasseroberfläche. Die Störung verschwindet mit Lichtgeschwindigkeit wie Wellen in einem Teich. Wenn in Ihrem Stromkreis nur stetiger Gleichstrom fließt, tritt die Störung nur dann auf, wenn Sie ihn einschalten und ausschalten.

(In der Tat verursachen elektrische Geräte beim Ein- und Ausschalten Störungen: Relais, Schalter, Kommutierung von Bürsten von Elektromotoren oder alles, was Funken erzeugt: Alle strahlen aus und können die Funkkommunikation oder empfindliche Geräte stören.)

Funkübertragungsschaltungen sind für die Strahlung optimiert; Sie tun absichtlich Dinge, die Designer versuchen, in Schaltkreisen zu vermeiden, die ihre Strahlung minimieren müssen (was die meisten Schaltkreise sind). Sender verstärken hochfrequenten Wechselstrom und versorgen eine Antenne mit Strom .

Es gibt viele Arten von Antennen und wie sie alle funktionieren, ist ein großes Thema. Ein Beispiel für eine Antenne ist einfach ein Dipol mit einer halben Wellenlänge: zwei lange Leiter, die in entgegengesetzte Richtungen zeigen und jeweils eine viertel Wellenlänge lang sind.

Kaz
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Eine Antwort ohne Erwähnung des Magnetfeldes ist nicht falsch, sondern nur unvollständig.
Andy aka
@Andyaka Ich hatte das da drin, aber ich habe es vor dem Posten gelöscht, um es kurz zu halten. Es hilft der Intuition nicht, wie sich die Strahlung ausbreitet, da die magnetischen und elektrischen Schwingungen in Phase sind.
Kaz
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Radiowellen wurden erst erklärt, als James Clerk Maxwell Elektrizität und Magnetismus mit den heutigen Maxwellschen Gleichungen beschrieb. Sie verwenden eine Form der Vektorrechnung und sind alles andere als einfach. Bei Ihrer Frage geht es um Beschleunigung. Ein fließender Strom erzeugt kein Radio. Die Elektronen müssen beschleunigen, als würden sie hin und her gehen. Elektronen bewegen sich sehr langsam durch Drähte, aber Sie können sie über sehr kurze Entfernungen mit einem elektrischen Wechselfeld sehr schnell hin und her schütteln, indem Sie Wechselstrom an den Draht anlegen. Die Elektronen kehren die Richtung um und strahlen aus. Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein Magnetfeld und ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Feld. Etwas so, als würden die elektrischen und magnetischen Felder vom Draht abgequetscht und fliegen mit Lichtgeschwindigkeit davon.

Sie können die Beschleunigung auch erhalten, indem Sie sich in einem Kreis bewegen (Richtungswechsel im Allgemeinen), und es gibt Sender, die auf diese Weise funktionieren. Nicht mit einem Draht im Kreis, mit Elektronen im Vakuum, die in einem Kreis aus einem starken Magnetfeld sehr schnell laufen. Es gibt schöne Magnete, die diese Aufgabe in älteren Mikrowellenschaltungen erfüllen. Suche "Magnetron".

Die einfache Möglichkeit, Radio zu demonstrieren, besteht darin, die ursprünglichen Experimente mit einem Funkenstreckensender und einer Drahtschleife mit einer kleinen Lücke zu duplizieren, um einen Funken von der empfangenen Leistung zu sehen. Suchen Sie nach Funkenstrecken und Radiowellen. Wenn Sie eine erstellen, achten Sie darauf, dass die Leute Ihre Experimente mit AM-Funkgeräten in alle Richtungen aufnehmen.

Eine überraschende Tatsache der Natur wird durch Maxwells Gleichungen offenbart, und dies macht Radio für die Fernkommunikation nützlich. Wir würden erwarten, dass alles, was in alle Richtungen strahlt, eine Kraft (Intensität) hat, die mit dem Quadrat der Entfernung abfällt - wie in 1 / (r ^ 2). Wenn die Funkerkennung darauf basieren würde, wäre sie nahezu nutzlos. Da jedoch die Leistung mit dem Quadrat abnimmt, ist die Amplitude proportional zum Quadrat der Leistung und fällt mit 1 / r ab. Und es ist die Amplitude des Feldes, die wir im Radio erfassen (oder die Bewegung, die in Elektronen in einer Drahtantenne induziert wird). Wenn Sie 1 km von einem Sender entfernt sind und zu einem 100 km entfernten Punkt gehen, ist die Signalamplitude nur 1/100 so stark - ein Wertverstärker kann problemlos handhaben. Wenn das Radio auf Strom basieren würde, wäre der Wert 1/10000. Sie können sich das Problem vorstellen, Signale 5000 km (1 / 25.000,

Ich würde Photonen ignorieren. Im Gegensatz zu Radio hat ein Photon eine Energie, die durch die Frequenz bestimmt wird, und Sie benötigen keine Quantenmechanik für Radio.

C. Towne Springer
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Was Sie über die Funkausbreitung gesagt haben, ist falsch. Die Leistung einer Funkwelle, die von einer Punktquelle ausgeht, fällt als Quadrat der Entfernung ab. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich die Funkwelle in alle Richtungen ausbreitet, so dass eine sphärische Ausbreitung auftritt. Wenn Sie Ihre Entfernung von 1 km auf 100 km variieren, wird die empfangene Leistung um den Faktor 10000 (das Quadrat von 100) reduziert. Glücklicherweise können Empfangsschaltungen sehr empfindlich gemacht werden, so dass nützliche Informationen aus Sendern extrahiert werden können, die sich in großer Entfernung vom Empfänger befinden (einschließlich von der Erde zum Mond).
Barry
Sobald eine Funkwelle begonnen hat, wechselt die Energie nicht mehr zwischen magnetischen und elektrischen Feldern. Sie liegen in dieser Hinsicht falsch. Magnetische und elektrische Felder sind zeitlich perfekt ausgerichtet. Dies gibt dem freien Raum eine konstante Impedanz von 377 Ohm - E muss jederzeit mit H in Phase sein, sonst ist es kein Radio.
Andy aka
@Barry: oder empfindlich genug gemacht, um ein Signal von einem 23-Watt-Sender zu empfangen , der 7.000.000.000 Meilen entfernt ist und mit 37.000 MPH fährt !
RedGrittyBrick
@ Barry Du bist richtig. Ich habe Leistung und Amplitude umgekehrt und werde bearbeiten. 1 / r ist für die Amplitude korrekt und zum Beispiel ist die Amplitude das, was ein Diodendetektor benötigt.
C. Towne Springer
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@Andyaka Aus Wikipedia - E und B sind senkrecht zueinander und die Richtung der Wellenausbreitung und in Phase. Das sich ändernde Magnetfeld erzeugt durch das Faradaysche Gesetz ein sich änderndes elektrisches Feld. Dieses elektrische Feld erzeugt wiederum ein sich änderndes Magnetfeld durch Maxwells Korrektur nach Ampères Gesetz. Dieser ewige Zyklus ermöglicht es diesen Wellen, sich mit der Geschwindigkeit c durch den Raum zu bewegen. - Nicht verrückt nach dieser Erklärung und muss meine Antwort bearbeiten.
C. Towne Springer
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Die Signalleistung fällt als Quadratfunktion für E-Felder ab, da die vom emittierten Signal abgedeckte Fläche als Quadrat der Entfernung und des Radius zunimmt.

Der Punkt über Photonen, denke ich ... Der Schlüssel ist, dass Photonen Quanten mit einer bei Licht klassifizierten Frequenz sind, wobei Radiowellen Quanten mit einer Frequenz unter Licht sind. Aber ich weiß es wirklich nicht. Wo ist Richard Feynman, wenn Sie ihn brauchen ...

dfowler7437
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Ob es sich um "Licht" oder "Radio" handelt, elektromagnetische Strahlung kann entweder mit der klassischen Theorie (Wellen) oder der Quantentheorie (Photonen) untersucht werden. Wie in vielen Bereichen der Physik ist die klassische Theorie für die meisten Dinge gut genug, aber die Quantentheorie wird benötigt, um einige Beobachtungen zu verstehen, die nicht durch die klassische Theorie erklärt werden. In den Radiobändern gibt es sehr wenige Fälle, in denen die Quantentheorie benötigt wird, aber das bedeutet nicht, dass die HF-Energie nicht quantisiert wird - nur, dass die Quanten sehr klein sind (sehr niedrige Energie pro Photon).
Das Photon
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Ihre Antwort verewigt einen Mythos. Tatsächlich sind die elektrischen und magnetischen Felder in der EM-Strahlung in Phase. Sie kollabieren nicht und regenerieren sich phasenverschoben und ernähren sich gegenseitig: Es ist überhaupt nicht wie LC-Resonanz.
Kaz
Siehe hier: en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation#Wave_model "Ein häufiges Missverständnis ist, dass die E- und B-Felder in elektromagnetischer Strahlung phasenverschoben sind, weil eine Änderung in einem das andere erzeugt ..."
Kaz
OK, ich habe meine Antwort Kaz bearbeitet. Mir wurde der andere Weg beigebracht. Würde keinen Mythos verewigen wollen.
dfowler7437