No entiendo cómo las antenas emiten una señal.
Entiendo lo básico de la antena (longitud de onda, campo de electrones E, ...), pero simplemente no entiendo cómo puede pasar la corriente a través de un cable que no tiene polo negativo.
¿Me puede explicar eso?
Supongo que no entiendes cómo puede fluir la corriente si no hay un circuito completo. Tomemos como ejemplo un dipolo de cuarto de onda simple:
¿Cómo puede fluir cualquier corriente, ya que no hay un circuito completo desde "-" hasta "+" de V1?
Considere esto: en relación con la velocidad a la que se propagan las ondas en los campos electromagnéticos, el dipolo es largo. Es cierto que la corriente no puede fluir, pero no lo sabe hasta que llega al final del cable. A medida que la corriente se acerca al final del cable pero no tiene dónde ir, las cargas se acumulan hasta que son empujadas hacia atrás en la otra dirección. Cuando regresa, ha viajado \ $ \ lambda / 2 \ $ o ha experimentado un cambio de fase \ $ 180 ^ \ circ \ $. La tensión en V1 también ha cambiado en este punto, por lo que la corriente se está agregando de manera constructiva a las nuevas corrientes que produce V1. Si no fuera por la pérdida de parte de esta energía como radiación, la energía de esta antena crecería sin límite.
Por qué la energía irradia es complicada. La respuesta larga es " ecuaciones de Maxwell ". Si no quiere comprender todos los detalles de esa matemática, aquí hay una comprensión simple e incompleta: la corriente en una antena está asociada con un campo magnético y la tensión está asociada con un campo eléctrico. Una antena es una disposición tal que a cierta distancia de la antena (el campo lejano ) estos dos campos son mutuamente perpendiculares y en fase, y lo que obtienes es una onda auto-propagativa como esta:
El rojo es el campo eléctrico (E), y el azul es el campo magnético (B). Este es el tipo de onda que emitiría un dipolo alineado con el eje Z.
Aquí hay una versión simplificada que me ayudó a superar mi propia ignorancia de noob.
Hay básicamente dos tipos de antenas pequeñas: la antena de bucle pequeño y la antena dipolo corta. La antena de bucle pequeño es solo un anillo de cable, y cualquier corriente en el cable produce un campo magnético que rodea la antena. El dispositivo es un inductor, pero tiene un gran campo magnético que ocupa mucho espacio.
Por otro lado, la antena dipolo corta es solo un par de "placas de condensadores" de metal que sobresalen del aire, y si se aplica un voltaje a través de ellas, habrá un campo electrónico en el espacio circundante. El dispositivo es solo un capacitor, pero nuevamente, tiene un gran campo de relleno de espacio en la región circundante.
Aplique una onda sinusoidal en lugar de voltios constantes o corriente, y los campos alrededor de las "antenas" se expandirán, luego se contraerán, luego se expandirán nuevamente pero apuntando hacia atrás ... luego se repetirán. No se generan ondas, por lo que realmente no son antenas de radio. Pero están creando algunos campos locales de EM en el espacio.
Aquí está el proyecto de video "TEAL" en MIT con una versión visual del proceso:
Expandir / contraer el campo B o el campo electrónico
OK hasta ahora? La antena de bucle genera un campo magnético y la antena dipolo genera un campo eléctrico. Las cosas raras comienzan a suceder cuando manejamos ambas antenas con una frecuencia muy alta. Eso, o podemos construir una versión de cualquiera de las antenas con un tamaño tan grande que incluso 60Hz será un tipo de "señal de radio" en lo que respecta a la antena.
Aquí está la cosa: los campos magnéticos o eléctricos que rodean esas antenas no pueden expandirse o contraerse más rápido que la velocidad de la luz. Entonces, ¿qué sucede si los pulsos de CA aplicados a estos dispositivos son "demasiado rápidos"? Los campos alrededor de los inductores o capacitores tienen que volcarse hacia afuera y luego ser absorbidos nuevamente, pero ¿y si las velocidades son casi la velocidad de la luz? Ahí es cuando los campos dejan de actuar como inflar o contraer globos invisibles. En su lugar, los campos comienzan a comportarse como ondas.
Por lo tanto, cuando se invierte la polaridad durante la onda sinusoidal de CA, el campo e o el campo b no se vuelven a absorber completamente de la forma habitual. En su lugar, se desprende de la antena y sigue moviéndose. Parte de la energía de campo no se recupera y, en cambio, se pierde en el espacio. Nuestra antena de cuadro ya no es solo un inductor, y ha comenzado a hacer olas. Y nuestro dipolo ahora es un lanzador de olas y no solo un capacitor.
¡Gran pregunta! Respuesta compleja. Para comprender por qué sucede esto sin una ruta de retorno ("polo negativo"), tiene que moverse más allá de la Ley de Ohms.
Todas las cargas aceleradas se irradian. Así que todo lo que conduce la corriente alterna actúa como una antena. Sin embargo, a menudo son antenas pobres y no irradian bien. Como resultado, este aspecto a menudo puede ignorarse simplemente para simplificar el problema.
Para hacer una buena antena, debe transferir la energía (la energía está contenida en voltajes y corrientes) a la radiación electromagnética (donde la energía está contenida en los campos E y H) que se alejan de la antena. Esto requiere que la impedancia de su antena se ajuste aproximadamente, y que las corrientes que causan la radiación se sumen en la fase para que no se cancelen entre sí como lo harían en una línea de transmisión. Como mencionó Jim Dearden, puedes diseñar esto para obtener ondas estacionarias o cancelarlas dependiendo de la longitud física.
El problema con su pregunta sobre "no tener un polo negativo" está relacionado con el uso de un modelo de circuito simplificado que no tiene en cuenta los aspectos 3D y los campos de voltaje y corriente. La corriente puede fluir en cualquier cosa que sea conductora (polos o no polos). Las ondas EM externas (electromagnéticas) hacen esto todo el tiempo. Sin embargo, no hay un modelo de ley de ohmios que pueda predecir esto.
Para avanzar un paso más allá de la simple ley de ohmios, los ingenieros han adoptado un modelo de "Resistencia a la radiación". Esto se usa de manera similar a la resistencia óhmica estándar. En ley de ohmios la energía disipada se convierte en calor. En el modelo de resistencia a la radiación, la energía disipada se convierte en radiación.
La resistencia a la radiación es solo una herramienta simple para ayudar a los ingenieros a evaluar un elemento de circuito conocido (es decir, generalmente un tipo de RF lo calculó por usted) sin tener que usar las ecuaciones de Maxwell y aplicar las condiciones de contorno al circuito físico para comprender exactamente los modos de radiación.
La clave real para comprender el comportamiento de un circuito es comprender cuándo es importante tener en cuenta los aspectos de la radiación. Cuando la frecuencia de operación de un circuito tiene una longitud de onda que es físicamente cercana al tamaño del circuito, entonces la Ley de Ohm comienza a descomponerse rápidamente. Como regla general, si la relación entre la longitud de onda y el tamaño del circuito es mayor que 0.1, entonces debe aplicar las ecuaciones de Maxwell para comprender cómo funcionará ese circuito. Por lo tanto, los términos "antena de cuarto de onda" deben ser una pista de que es necesario aplicar la teoría EM para entender lo que hace el circuito.
Si tiene tiempo, intente digerir este artículo sobre cómo entender la radiación de EM . Está diseñado para enseñar a los ingenieros cómo los circuitos pueden funcionar de manera que la ley de Ohm no pueda predecir. Tiene una gran cantidad de teoría EM, pero no es necesario que entiendas realmente todo eso para apreciar que hay una gran diferencia en el análisis del circuito cuando la frecuencia de operación se acerca al tamaño físico del circuito.
EDITAR: Acabo de pensar en otro ejemplo que podría ayudar. Los condensadores no tienen rutas de retorno, solo son circuitos abiertos, pero de alguna manera funcionan, ¿no? Esto (y los inductores que son cortos) solo funcionan debido a sus propiedades de radiación. Los ingenieros han encontrado una forma de convertir las ecuaciones de EM en elementos fijos (o elementos agrupados) para que puedan incorporarse en modelos de ley de ohmios para que sea más fácil trabajar con ellos. Al igual que con las antenas, puede haber mucho más en juego que solo un pedazo de metal sentado allí yendo a ninguna parte.
Supongo que este enfoque, aunque no del todo correcto, puede ayudar. Intenta imaginar una batería y 2 cables conectados en sus terminales abiertos. Existe un potente en la batería. Eso significa que existe un campo eléctrico en la batería, ahora este campo es a través del cable conectado, lo que provoca la acumulación de las cargas + ve y -ve en los extremos respectivos hasta que se alcanza el mismo potencial, esto permanece hasta que no se cambia el potencial de la batería. Ahora ambos extremos abiertos tienen el mismo potencial de magnitud que el de la batería. Ahora, si incremento el potencial de la batería, algunas cargas más se moverán a los extremos hasta que el potencial esté equilibrado. Y cuando disminuya el potencial, algunos cargos se moverán hacia atrás. Aunque el movimiento de cargas es por un corto período de tiempo. Este movimiento ocurre continuamente cuando se aplica un voltaje de CA, oscilando efectivamente las cargas y por lo tanto produciendo ondas EM. Espero que esto ayude :)
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