Quando se trata deantenas, a questão que mais preocupa as pessoas é "Como a radiação é realmente alcançada?"Como o campo eletromagnético gerado pela fonte do sinal se propaga através da linha de transmissão e dentro da antena e, finalmente, “se separa” da antena para formar uma onda de espaço livre.
1. Radiação de fio único
Suponhamos que a densidade de carga, expressa em qv (Coulomb/m3), esteja uniformemente distribuída em um fio circular com área de seção transversal a e volume V, conforme mostra a figura 1.
figura 1
A carga total Q no volume V se move na direção z com uma velocidade uniforme Vz (m/s).Pode-se provar que a densidade de corrente Jz na seção transversal do fio é:
Jz = qv vz （1）
Se o fio for feito de um condutor ideal, a densidade de corrente Js na superfície do fio será:
Js = qs vz （2）
Onde qs é a densidade de carga superficial.Se o fio for muito fino (idealmente, o raio é 0), a corrente no fio pode ser expressa como:
Iz = ql vz (3)
Onde ql (coulomb/metro) é a carga por unidade de comprimento.
Estamos preocupados principalmente com fios finos e as conclusões aplicam-se aos três casos acima.Se a corrente varia no tempo, a derivada da fórmula (3) em relação ao tempo é a seguinte:
(4)
az é a aceleração da carga.Se o comprimento do fio for l, (4) pode ser escrito da seguinte forma:
(5)
A equação (5) é a relação básica entre corrente e carga, e também a relação básica da radiação eletromagnética.Simplificando, para produzir radiação, deve haver uma corrente ou aceleração (ou desaceleração) de carga variável no tempo.Geralmente mencionamos a corrente em aplicações harmônicas de tempo, e a carga é mencionada com mais frequência em aplicações transitórias.Para produzir aceleração (ou desaceleração) de carga, o fio deve ser dobrado, dobrado e descontínuo.Quando a carga oscila em movimento harmônico no tempo, ela também produzirá aceleração (ou desaceleração) periódica de carga ou corrente variável no tempo.Portanto:
1) Se a carga não se mover, não haverá corrente nem radiação.
2) Se a carga se move com velocidade constante:
a.Se o fio for reto e de comprimento infinito, não há radiação.
b.Se o fio estiver torto, dobrado ou descontínuo, como mostra a Figura 2, há radiação.
3) Se a carga oscilar ao longo do tempo, a carga irradiará mesmo que o fio seja reto.
Figura 2
Uma compreensão qualitativa do mecanismo de radiação pode ser obtida observando uma fonte pulsada conectada a um fio aberto que pode ser aterrado através de uma carga em sua extremidade aberta, conforme mostrado na Figura 2(d).Quando o fio é inicialmente energizado, as cargas (elétrons livres) no fio são acionadas pelas linhas de campo elétrico geradas pela fonte.À medida que as cargas são aceleradas na extremidade fonte do fio e desaceleradas (aceleração negativa em relação ao movimento original) quando refletidas na sua extremidade, um campo de radiação é gerado nas suas extremidades e ao longo do resto do fio.A aceleração das cargas é realizada por uma fonte externa de força que põe as cargas em movimento e produz o campo de radiação associado.A desaceleração das cargas nas extremidades do fio é realizada por forças internas associadas ao campo induzido, que é causado pelo acúmulo de cargas concentradas nas extremidades do fio.As forças internas ganham energia com o acúmulo de carga à medida que sua velocidade diminui para zero nas extremidades do fio.Portanto, a aceleração das cargas devido à excitação do campo elétrico e a desaceleração das cargas devido à descontinuidade ou curva suave da impedância do fio são os mecanismos de geração da radiação eletromagnética.Embora tanto a densidade de corrente (Jc) quanto a densidade de carga (qv) sejam termos fonte nas equações de Maxwell, a carga é considerada uma quantidade mais fundamental, especialmente para campos transitórios.Embora esta explicação da radiação seja usada principalmente para estados transitórios, ela também pode ser usada para explicar a radiação em estado estacionário.
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2. Radiação de dois fios
Conecte uma fonte de tensão a uma linha de transmissão de dois condutores conectada a uma antena, conforme mostrado na Figura 3(a).A aplicação de tensão à linha de dois fios gera um campo elétrico entre os condutores.As linhas do campo elétrico atuam sobre os elétrons livres (facilmente separados dos átomos) conectados a cada condutor e os forçam a se mover.O movimento das cargas gera corrente, que por sua vez gera um campo magnético.
Figura 3
Aceitamos que as linhas de campo elétrico começam com cargas positivas e terminam com cargas negativas.É claro que também podem começar com cargas positivas e terminar no infinito;ou comece no infinito e termine com cargas negativas;ou formar circuitos fechados que não começam nem terminam com quaisquer cobranças.As linhas do campo magnético sempre formam circuitos fechados em torno dos condutores que transportam corrente porque não existem cargas magnéticas na física.Em algumas fórmulas matemáticas, cargas magnéticas e correntes magnéticas equivalentes são introduzidas para mostrar a dualidade entre soluções que envolvem energia e fontes magnéticas.
As linhas de campo elétrico traçadas entre dois condutores ajudam a mostrar a distribuição de carga.Se assumirmos que a fonte de tensão é senoidal, esperamos que o campo elétrico entre os condutores também seja senoidal com período igual ao da fonte.A magnitude relativa da intensidade do campo elétrico é representada pela densidade das linhas do campo elétrico, e as setas indicam a direção relativa (positiva ou negativa).A geração de campos elétricos e magnéticos variantes no tempo entre os condutores forma uma onda eletromagnética que se propaga ao longo da linha de transmissão, conforme mostrado na Figura 3 (a).A onda eletromagnética entra na antena com a carga e a corrente correspondente.Se removermos parte da estrutura da antena, conforme mostrado na Figura 3(b), uma onda de espaço livre pode ser formada “conectando” as extremidades abertas das linhas do campo elétrico (mostradas pelas linhas pontilhadas).A onda do espaço livre também é periódica, mas o ponto de fase constante P0 se move para fora na velocidade da luz e percorre uma distância de λ/2 (até P1) em meio período de tempo.Perto da antena, o ponto de fase constante P0 se move mais rápido que a velocidade da luz e se aproxima da velocidade da luz em pontos distantes da antena.A Figura 4 mostra a distribuição do campo elétrico no espaço livre da antena λ∕2 em t = 0, t/8, t/4 e 3T/8.
Figura 4 Distribuição do campo elétrico no espaço livre da antena λ∕2 em t = 0, t/8, t/4 e 3T/8
Não se sabe como as ondas guiadas são separadas da antena e eventualmente formadas para se propagarem no espaço livre.Podemos comparar ondas espaciais guiadas e livres com ondas de água, que podem ser causadas por uma pedra deixada cair em um corpo de água calmo ou de outras maneiras.Assim que a perturbação na água começa, ondas de água são geradas e começam a se propagar para fora.Mesmo que a perturbação pare, as ondas não param, mas continuam a se propagar.Se a perturbação persistir, novas ondas são geradas constantemente e a propagação dessas ondas fica atrasada em relação às outras ondas.
O mesmo se aplica às ondas eletromagnéticas geradas por perturbações elétricas.Se a perturbação elétrica inicial da fonte for de curta duração, as ondas eletromagnéticas geradas propagam-se dentro da linha de transmissão, depois entram na antena e finalmente irradiam como ondas de espaço livre, mesmo que a excitação não esteja mais presente (assim como as ondas de água). e a perturbação que criaram).Se a perturbação eléctrica for contínua, as ondas electromagnéticas existem continuamente e seguem-nas de perto durante a propagação, como mostra a antena bicónica mostrada na Figura 5. Quando as ondas electromagnéticas estão dentro de linhas de transmissão e antenas, a sua existência está relacionada com a existência de energia eléctrica. carga dentro do condutor.No entanto, quando as ondas são irradiadas, elas formam um circuito fechado e não há carga para manter a sua existência.Isto nos leva à conclusão de que:
A excitação do campo requer aceleração e desaceleração da carga, mas a manutenção do campo não requer aceleração e desaceleração da carga.
Figura 5
3. Radiação dipolo
Tentamos explicar o mecanismo pelo qual as linhas do campo elétrico se separam da antena e formam ondas no espaço livre, e tomamos como exemplo a antena dipolo.Embora seja uma explicação simplificada, também permite que as pessoas vejam intuitivamente a geração de ondas no espaço livre.A Figura 6 (a) mostra as linhas de campo elétrico geradas entre os dois braços do dipolo quando as linhas de campo elétrico se movem para fora em λ∕4 no primeiro quarto do ciclo.Para este exemplo, vamos supor que o número de linhas de campo elétrico formadas seja 3. No próximo quarto do ciclo, as três linhas de campo elétrico originais movem outro λ∕4 (um total de λ∕2 do ponto inicial), e a densidade de carga no condutor começa a diminuir.Pode-se considerar que é formado pela introdução de cargas opostas, que anulam as cargas do condutor ao final da primeira metade do ciclo.As linhas de campo elétrico geradas pelas cargas opostas são 3 e se movem a uma distância de λ∕4, que é representada pelas linhas pontilhadas na Figura 6 (b).
O resultado final é que existem três linhas de campo elétrico descendentes na primeira distância λ∕4 e o mesmo número de linhas de campo elétrico ascendentes na segunda distância λ∕4.Como não há carga líquida na antena, as linhas do campo elétrico devem ser forçadas a se separar do condutor e se combinarem para formar um circuito fechado.Isso é mostrado na Figura 6 (c).Na segunda metade segue-se o mesmo processo físico, mas note que o sentido é oposto.Depois disso, o processo se repete e continua indefinidamente, formando uma distribuição de campo elétrico semelhante à Figura 4.
Figura 6
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Horário da postagem: 20 de junho de 2024
