Quando se trata deantenas, a questão que mais preocupa as pessoas é "Como a radiação é realmente obtida?" Como o campo eletromagnético gerado pela fonte de 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
Vamos supor que a densidade de carga, expressa em qv (Coulomb/m3), esteja uniformemente distribuída em um fio circular de área de seção transversal a e volume V, conforme mostrado na Figura 1.
Figura 1
A carga total Q no volume V move-se na direção z com 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 é:
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 principalmente preocupados com fios finos, e as conclusões se aplicam aos três casos acima. Se a corrente for variável com o 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) descreve 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 que varia com o tempo. Geralmente, mencionamos corrente em aplicações harmônicas no tempo, e carga é mais frequentemente mencionada em aplicações transitórias. Para produzir aceleração (ou desaceleração) de carga, o fio deve ser curvado, dobrado e descontínuo. Quando a carga oscila em movimento harmônico no tempo, ela também produzirá aceleração (ou desaceleração) de carga periódica ou corrente que varia com o 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 infinito em comprimento, não há radiação.
b. Se o fio estiver dobrado, torto ou descontínuo, como mostrado na Figura 2, há radiação.
3) Se a carga oscilar ao longo do tempo, a carga irradiará mesmo que o fio esteja reto.
Figura 2
Uma compreensão qualitativa do mecanismo de radiação pode ser obtida observando-se uma fonte pulsada conectada a um fio aberto que pode ser aterrado por meio 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 postas em movimento pelas linhas de campo elétrico geradas pela fonte. À medida que as cargas são aceleradas na extremidade da fonte do fio e desaceleradas (aceleração negativa em relação ao movimento original) quando refletidas em sua extremidade, um campo de radiação é gerado em suas extremidades e ao longo do restante do fio. A aceleração das cargas é realizada por uma fonte externa de força que coloca 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 a partir do 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 para a geração de 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 grandeza mais fundamental, especialmente para campos transitórios. Embora essa 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, como mostrado na Figura 3(a). A aplicação de tensão à linha de dois fios gera um campo elétrico entre os condutores. As linhas de campo elétrico atuam sobre os elétrons livres (facilmente separados dos átomos) conectados a cada condutor, forçando-os 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 elas também podem começar com cargas positivas e terminar no infinito; ou começar no infinito e terminar com cargas negativas; ou formar laços fechados que não começam nem terminam com nenhuma carga. As linhas de campo magnético sempre formam laços fechados em torno de condutores que transportam corrente, pois não existem cargas magnéticas em física. Em algumas fórmulas matemáticas, cargas magnéticas e correntes magnéticas equivalentes são introduzidas para mostrar a dualidade entre soluções que envolvem fontes de energia e 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 um período igual ao da fonte. A magnitude relativa da intensidade do campo elétrico é representada pela densidade das linhas de campo elétrico, e as setas indicam a direção relativa (positiva ou negativa). A geração de campos elétricos e magnéticos variáveis no tempo entre os condutores forma uma onda eletromagnética que se propaga ao longo da linha de transmissão, como 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, como mostrado na Figura 3(b), uma onda de espaço livre pode ser formada "conectando" as extremidades abertas das linhas de campo elétrico (mostradas pelas linhas pontilhadas). A onda de espaço livre também é periódica, mas o ponto de fase constante P0 se move para fora à velocidade da luz e percorre uma distância de λ/2 (até P1) em meio período de tempo. Próximo à antena, o ponto P0 de fase constante 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 propagar no espaço livre. Podemos comparar ondas guiadas e ondas no espaço livre a ondas na água, que podem ser causadas por uma pedra lançada em um corpo de água calmo ou de outras maneiras. Uma vez iniciada a perturbação na água, ondas na água são geradas e começam a se propagar para fora. Mesmo que a perturbação cesse, as ondas não param, mas continuam a se propagar para a frente. 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, entram na antena e, finalmente, irradiam-se como ondas de espaço livre, mesmo que a excitação já não esteja presente (tal como as ondas de água e a perturbação que criaram). Se a perturbação elétrica for contínua, as ondas eletromagnéticas existem continuamente e seguem-nas de perto durante a propagação, como mostrado na antena bicónica apresentada na Figura 5. Quando as ondas eletromagnéticas estão dentro de linhas de transmissão e antenas, a sua existência está relacionada com a existência de carga elétrica no interior do condutor. No entanto, quando as ondas são irradiadas, formam um circuito fechado e não há carga para manter a sua existência. Isto leva-nos 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 de campo elétrico se separam da antena e formam ondas de espaço livre, tomando como exemplo a antena dipolo. Embora seja uma explicação simplificada, ela também permite que as pessoas vejam intuitivamente a geração de ondas de 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 se movem mais λ∕4 (um total de λ∕2 a partir do ponto inicial), e a densidade de carga no condutor começa a diminuir. Pode-se considerar que ela é formada pela introdução de cargas opostas, que cancelam as cargas no condutor ao final da primeira metade do ciclo. As linhas de campo elétrico geradas pelas cargas opostas são 3 e percorrem uma distância de λ∕4, que é representada pelas linhas pontilhadas na Figura 6(b).
O resultado final é que há 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 de campo elétrico devem ser forçadas a se separar do condutor e se combinar para formar um circuito fechado. Isso é mostrado na Figura 6(c). Na segunda metade, o mesmo processo físico é seguido, mas observe que a direção é oposta. 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 publicação: 20/06/2024
