Электродинамика - это очень просто!

Новости

Бюллетень Си-Би №10 Октябрь 1998 г

Автор Владимир "Обруч"

Для начинающих

Предисловие редактора

Просто писать о сложных вещах – дело непростое. Попросите грамотного специалиста по антеннам «на пальцах» растолковать радиолюбителю, совершенно незнакомому с радиотехникой, как работает антенна. Почти наверняка он будет в затруднении: слишком много в антенной технике используется специальных понятий.

А если слушатель немного помнит школьный курс физики? Оказывается, тогда многое можно объяснить «на пальцах».

Предлагаемая на ваш суд серия статей "Электродинамика – это очень просто!", присланная в редакцию Владимиром «Обручем» из г. Жуковского,- прекрасный этому пример.

Давайте, прежде чем решать весьма запутанные вопросы о преимуществах и недостатках разных типов антенн - проволочных, штыревых, многоэлементных, укороченных и прочих, ответим на самый простой вопрос: а зачем вообще нужна антенна? Почему электромагнитная энергия не делает вытекать из кабеля наружу наподобие воды из шланга? На самом деле не такой уж он и простой, этот вопрос. По крайней мере от того, насколько полно и, фундаментально, мы на него ответим, будет зависеть судьба всей нашей затеи.

Для начала нам неплохо бы выяснить, отчего вообще может возникать излучение, что служит его непосредственным источником. Наука электродинамика утверждает (и нам придется этому поверить), что в природе существует только один-единственный источник электромагнитного излучения - это неравномерно движущийся электрический заряд. И все. Других источников нет. Поэтому мы с вами должны научиться в любой антенной конструкции видеть эти самые, неравномерно движущиеся электрические заряды. Правда, очень скоро мы откажемся от этого длинного и неудобного названия - «неравномерно движущиеся ...», и т.д.), Но, пока мы этого не сделали, давайте попробуем с помощью этого определения разобраться с простейшей и в то же время фундаментальнейшей антенной - полуволновым вибратором.

Представьте себе простой металлический стержень, свободно висящий в открытом пространстве. Любой металлический проводник - это, в некотором смысле, труба: труба для свободных электронов. А наш изолированный стержень - это закупоренная с двух сторон труба с электронами. Если ее, эту трубу, оставить в покое, то, рано или поздно, электроны распределятся по ней абсолютно равномерно, и все успокоится. А теперь представим, что мы каким-то образом слегка сместили эти свободные электроны вдоль стержня так, что в одной его половине их стало больше, чем в другой, и после этого быстро отошли в сторону. Я думаю, что последующие события достаточно очевидны: за счет взаимного расталкивания электроны из той половины, где их сейчас больше, двинутся туда, где их меньше. Как следует разгонятся и, разумеется, благополучно проскочат положение равновесия. И теперь их станет больше в другой половине. Не долго думая, они повернут обратно, и все начнется сначала.

Казалось бы, этот колебательный процесс никогда не остановится. Но мы-то с вами уже знаем, что неравномерно движущиеся электрические заряды излучают в пространство электромагнитные волны, т.е. наша колебательная система будет служить прекрасным излучателем. Правда колебания очень скоро затухнут, поскольку система теряет энергию, но, если мы научимся «подталкивать» колеблющиеся электроны и поддерживать амплитуду колебании постоянной, то мы, собственно, и получим классическую антенну - знаменитый полуволновый вибратор, который нашу энергию, затрачиваемую на «подталкивание» электронов, излучает в пространство в виде электромагнитных волн.

Вот и все. Как видите, картинка очень простая. Единственное, что здесь может быть не совсем привычно - это то, что непосредственным источником электромагнитного излучения служат неравномерно движущиеся электрические заряды. Правда, это непривычное определение можно сделать гораздо более привычным. Ведь у нас с вами заряды могут двигаться только по проводам? И называется это движение электрическим током. А колебательное движение - переменным током. Так что для наших с вами задач первоначальное определение можно немножко сузить и сказать, что источником электромагнитных волн может быть только текущий по нашим проводникам переменный ток. И теперь становится понятно, почему кабель не излучает - просто в нем токи, текущие по центральной жиле и по оплетке, равны и противоположны по направлению, и их излучения во внешнем пространстве взаимно уничтожаются. И еще становится понятно, что в любой антенне главное. И это главное - нескомпенсированные токи. Действительно, до сих пор, во всех наших электрических схемах мы имели дело только с токами, которые честно двигались по замкнутым контурам. И правила расчета таких токов основывались на том, что ни в какой точке схемы не могут накапливаться заряды, поэтому сумма втекающих токов всегда равна сумме вытекающих. И так далее. А в антенне - все наоборот! И заряды могут накапливаться, и токи движутся не по замкнутым контурам. Посмотрим, например, на антенну - штырь на крыше автомобиля. Ну, скажите, где еще так бывает, чтобы ток втекал в провод с одного конца и не вытекал из другого?! А в нашей антенне именно так все и происходит.

Вот, собственно, и все. Для первого разговора вполне достаточно. Давайте только на прощанье вспомним, о чем мы с вами успели договориться.

Первое - источником радиоволн в нашем случае может быть только текущий по проводникам переменный ток. Если есть ток, то будет и излучение, причем его интенсивность строго определяется параметрами тока и больше ни от чего, абсолютно ни от чего не зависит. Конечно, если рядом с нашим проводом лежит другой провод, в котором ток течет в обратном направлении, то излучения этих токов практически полностью взаимно уничтожаются. Поэтому любая антенна будет излучать только тогда, когда токи, текущие по ее частям, не компенсируют друг друга.

Бюллетень Си-Би №11 Ноябрь 1998 г

Продолжение

Итак: источником радиоволн в нашем случае может служить только переменный ток, текущий по проводникам. И наша задача - сконструировать антенну так, чтобы этот ток был по возможности больше, и не был при этом скомпенсирован противоположным током. И еще мы построили простую и наглядную модель полуволнового вибратора. Надеюсь, вы не забыли закупоренную трубку со свободными электронами, которые сгущаются то в одной половине, то в другой, и все время (по инерции) проскакивают положение равновесия.

Такая простенькая модель вполне годится для качественного понимания того, как вообще работает антенна, полуволновый вибратор, но количественные зависимости из нее получить, конечно, нельзя. Например, совсем не понятно, почему частота колебаний в точность такова, что длина излучаемой волны ровно в два раза больше длины самого вибратора (он, собственно, поэтому и «полуволновый»). Казалось бы, будь электроны в несколько раз тяжелее - и частота в несколько раз уменьшится. Но у нас же частота никак не связана с массой какого-то там электрона и определяется лишь двумя величинами - длиной вибратора и скоростью света в вакууме.

На самом деле, если говорить честно, то, будь электроны очень-очень тяжелыми, то резонансная частота вибратора все-таки была бы ниже. Но электроны настолько легкие, что их массой в данном случае можно вообще пренебречь и считать их невесомыми, не имеющими никакой инерции и мгновенно реагирующими на внешнее электрическое поле. Но дело-то все в том, что наши абсолютно подвижные заряды просто не могут определить, когда они проходят положение равновесия и можно было бы остановиться, поскольку само поле распространяется не мгновенно, а лишь со скоростью света. И в тот момент, когда электроны проходят положение равновесия, т.е. когда их одинаково много в обеих половинах вибратора, они ощущают еще то поле, которое образовано некоторое время назад. И продолжают двигаться туда, где их незадолго до этого было мало, хотя в данный момент уже вполне достаточно. Пока они об этом узнают, т.е. поле до них дойдет, их уже будет слишком много. И так далее. Таким образом, картинка собственных колебаний вибратора практически не изменилась, но теперь резонансная частота определяется не массой и «неповоротливостью» электронов в проводнике, а другими параметрами: скоростью распространения поля вдоль этого проводника (а это и есть скорость наших радиоволн) и геометрической длиной вибратора.

Давайте сразу оговоримся, что то поле, которое вроде бы «бегает» вдоль нашего вибратора, мы постараемся пока не рассматривать. Все эти детали относятся к так называемой «ближней зоне антенны» и, ко всеобщему удовлетворению, с расстоянием очень быстро затухают. Наиболее «живучей» оказывается та часть электромагнитного поля, которая, собственно, и есть наши радиоволны. И которая (я еще раз напомню) вызывается нескомпенсированными переменными токами, текущими по антенне.

Итак, мы уже знаем, что такое резонансная длина вибратора и чем она определяется. Давайте двигаться дальше. Попробуем теперь непосредственно подсоединить наш вибратор к передатчику. Это можно сделать многими разными путями, но мы поступим самым простым образом - разорвем вибратор точно посередине и подсоединим к этому разрыву нашу радиостанцию. Понятно, что при этом мы попадем в точку с наибольшим током, и входное сопротивление вибратора будет небольшим. Давайте теперь построим еще один вибратор такой же длины, но в несколько раз тоньше первого, и заставим второй генератор возбудить в нем точно такой же ток, как и в первом. При этом, поскольку токи равны, то и излучать наши вибраторы будут одинаково, ведь излучение определяется только током в антенне. А раз так, то и подводимая мощность должна быть одинакова. И вот что получается: оба наших генератора подают (каждый в свои вибратор) одинаковую мощность, и токи при этом тоже одинаковы. А раз токи равны, и мощности равны, то и напряжения и, что самое замечательное, сопротивления тоже равны. Получается, что на резонансной частоте входное сопротивление разрезного полуволнового вибратора не зависит от его толщины. Это уже интересно! Посмотрим теперь, как это сопротивление зависит от длины вибратора.

Представим теперь два вибратора с генераторами, но один длинный, а другой короткий. Подадим на эти вибраторы равные токи, причем на каждый - на его резонансной частоте. И вот тут нам нужно сделать небольшое отступление. Дело в том, что мощность излучения определяется не только величиной тока, но и его частотой. Ведь чем больше частота, тем неравномернее движутся заряды и, соответственно, тем больше излучаемая мощность. А теперь посмотрим на наши вибраторы. Токи в их серединах мы сделали одинаковыми, но в коротком вибраторе ток «короче», суммарное количество движущихся зарядов -меньше и, казалось бы, излучаемая мощность тоже будет меньше. Но ведь короткий вибратор имеет более высокую резонансную частоту, и меньшее количество зарядов совершает более частые колебания. Общая излучаемая мощность при этом остается той же самой.

Итак: у нас два вибратора разной длины возбуждаются одинаковыми токами - каждый на своей резонансной частоте, и излучают одинаковую мощность. А раз мощности равны, и токи равны, то и сопротивления тоже равны.

И вот теперь становится уже очень интересно: оказывается, входное сопротивление разрезного полуволнового вибратора на резонансной частоте вообще ни от чего не зависит - ни от длины, ни от толщины. Конечно, это так, пока наш вибратор относительно тонкий, и напоминает скорее лыжную палку, чем батон колбасы. Но мы будем впредь считать, что наши вибраторы - относительно тонкие, и тогда постоянство входного сопротивления действительно будет иметь место, и величину этого сопротивления - знаменитые 73 Ома - все, наверное, хорошо знают. При утолщении антенны это значение слегка уменьшается и обычно находится в пределах 60-70 ом.

Вот, оказывается, какая замечательная вещь - наш разрезной полуволновыи вибратор (иногда его называют просто полуволновым диполем).

И напоследок - несколько слов о направлении излучения. Можно показать математически (это - опять наука электродинамика), что диаграмма направленности излучения колеблющегося электрического заряда - и есть всем хорошо известная «восьмерка»: переменный ток лучше всего излучает перпендикулярно самому себе и совсем не излучает вдоль проводника. Вот и все. Повторим самое главное:

Резонансная частота изолированного металлического стержня такова, что в его длине укладывается половина длины волны этой частоты. И если такой стержень разрезать пополам и подсоединить генератор, то получится замечательная антенна «полуволновыи диполь», входное сопротивление которой на резонансной частоте не зависит от размеров и лежит в пределах 60-73 Ом. И излучает такая антенна лучше всего в направлении, перпендикулярном самой антенне, и совсем не излучает вдоль.

Бюллетень Си-Би №12 Декабрь 1998 г

Продолжение

Мы с вами в прошлый раз установили замечательный факт: антенна под названием «разрезной полуволновый вибратор», (или, по-другому, «полуволновый диполь») всегда имеет на резонансной частоте примерно одинаковое сопротивление - 60-73 Ом, и основное излучение происходит в направлении, перпендикулярном к самому вибратору.

Казалось бы, все сказанное - ясно и просто. Но мы все-таки попробуем поглубже разобраться со словами «на резонансной частоте». Если задуматься, то вопросов может возникнуть очень много. Скажем, как будет себя вести наша антенна на частоте, немного отличающейся от резонансной? А при сильно отличающейся? И от чего зависит ширина полосы частот, в которой антенна еще пригодна для работы? И влияет ли острота резонанса на эффективность антенны? И еще масса вопросов, так или иначе связанных с резонансными явлениями в антеннах.

Мы с вами, если помните, начали самый первый разговор сразу с колебательной, резонансной модели полуволнового вибратора. Этот наш вибратор, вообще говоря, умел излучать и без всякой посторонней помощи. Правда, не очень долго, пока не истощатся запасы колебательной энергии (реально это 10-20 колебаний). Мы же своим генератором, вставленным в середину вибратора, просто не давали собственным колебаниям затухнуть. И может сложиться впечатление, что резонанс в антенне - это нечто первичное, основное, самое главное, без чего вообще ничего не получится. Но, конечно же, это не так. Прямой связи между явлением резонанса и эффективностью антенны нет. Существуют очень узкополосные антенны, и есть антенны, начисто лишенные резонансных свойств. И те и другие используются на практике, и каждая хороша по-своему. Но, раз уж мы начали наше «исследование» с резонансной антенны, то пока другие виды антенн рассматривать не будем.

Итак, вернемся к нашему полуволновому вибратору. Попробуем разобраться, а от чего же зависит ширина резонанса - ширина полосы частот, в которой эта антенна работает хорошо без всяких дополнительных подстроечных элементов. Этот вопрос достаточно практический, ведь нам бы очень хотелось, чтобы полоса частот была как можно шире.

Для того, чтобы это выяснить, придется вспомнить, что такое «добротность», от чего она зависит, и как она связана с шириной полосы пропускания. На последний вопрос есть простой и всем известный ответ: отношение рабочей чистоты к ширине полосы пропускания как раз и равно добротности системы, т.е. чем выше добротность, тем уже полоса. Но сама-то добротность чем определяется? Так вот, для этого есть одно замечательное физическое определение, пригодное для любых колебательных систем: для нашего вибратора, для маятника, для струны и т.д. Выглядит оно очень просто: добротность есть отношение полной запасенной колебательной энергии к потерям энергии за один период колебаний (правда, еще умноженное на 2 «пи», но это физического смысла не затрагивает). Итак, добротность напрямую показывает, какая часть запасенной энергии теряется за одно колебание. Чем меньше теряется, тем выше добротность. Или: чем больше запас при тех же потерях, тем также выше добротность. Повторим еще раз: для повышения добротности нужно либо уменьшить потери энергии, либо увеличить ее запас. Все очень просто и понятно. Остается применить все это к нашей антенне. Во-первых, что такое «потери»? Ясно, что для закачиваемой в антенну энергии существуют лишь два пути - она может либо излучиться в виде радиоволн, либо нагреть провода и изоляторы. Так вот, оказывается, что для всех аккуратно изготовленных полноразмерных антенн единственным видом потерь энергии является излучение. Нагрев, разумеется, тоже происходит, но этим практически можно пренебречь. Еще раз подчеркнем: «потери» в физическом смысле для нас с вами есть самый главный и полезный продукт жизнедеятельности антенны - ее излучение.

Во-вторых, нужно выяснить, где у нашего вибратора спрятан запас энергии. Ответ на этот вопрос оказывается немного неожиданным: запас энергии возбужденного вибратора находится в свободном пространстве вокруг него и заключен в электромагнитном поле - поле «ближней зоны антенны». В процессе колебаний магнитное поле вблизи вибратора превращается в электрическое и наоборот, а сам стержень никакой энергией не обладает и служит лишь мостиком для этих превращений.

Теперь представим себе два диполя одинаковой длины, по которым идет одинаковый ток, но один из них тонкий, а другой - толстый. Поскольку токи одинаковы, то и излучение (а на нашем языке - потери энергии) будет одинаковым. Зафиксируем теперь мысленно тот момент, когда вблизи каждого диполя есть только магнитное поле. В этот момент по диполям текут максимальные токи (одинаковые!) И вся внутренняя энергия заключена в магнитных полях. Эти магнитные поля тоже одинаковы, за исключением того, самого ближайшего к тонкому диполю пространства, которого «нет» вокруг толстого диполя, ибо его занимает сим диполь. Таким образом, «объем» магнитного поля меньше вокруг толстого диполя, причем отсутствует хоть и небольшой, но очень насыщенный энергией участок, т.к. поле наиболее сильное вблизи проводника. Ну а раз так, то и запас энергии у толстого диполя меньше, чем у тонкого. Вот и все. Потери энергии у обоих диполей одинаковы (это ведь и есть наше излучение), а запас у тонкого диполя больше. Значит и добротность тонкого диполя выше, а полоса частот - соответственно, уже. Толстый диполь оказывается более широкополосным. Это, вообще говоря, общеизвестный факт: все знают, что толстая антенна всегда более широкополосна, чем тонкая, но мы с вами теперь знаем еще и почему так происходит. Также хорошо понятно, что более добротный тонкий диполь ничуть не эффективней широкополосного толстого, и это уже не так общеизвестно. Часто считается, что узкополосная антенна - более эффективна, и эта ошибка вызвана тем, что неправильно понимается природа потерь энергии: ведь это, на самом деле, не потери, а полезное излучение (еще раз подчеркнем, что это верно только для полноразмерных антенн).

Как обычно, напоследок повторим самое главное из того, что мы сегодня успели обсудить. На мой взгляд, мы неплохо разобрались с понятием добротности, выяснили, что она всегда отражает соотношение всего двух величин - полного запаса колебательной энергии и потерь энергии за один период. И установили, что излучения тонкого и толстого диполей совершенно одинаковы, и тонкий диполь - более добротный за счет больших, скажем так, «подкожных запасов». И поэтому он и более узкополосный.

Продолжение следует...



До 20 августа мы снизили цены на популярные модели

Количество товара по акции ограничено, наличие товара указано на сайте.

MegaJet MJ-650
Диапазон CB 27 Мгц,
240 каналов.
Мощность 8 Вт.
Шумодав, нули-пятёрки.
5700 руб.
3850 руб.
Автомобильная антенна Optim Hustler 1c/100
Диапазон: CB (27 МГц)
Магнитное основание
Длина антенны: 150 см
1280 руб.
999 руб.
Автомобильная рация Optim Apollo v 3.0
Диапазон: CB (27 МГц).
Мощность: 6 Вт.
Удобное управление
Не требует установки
6220 руб.
5450 руб.
Автомобильная рация MegaJet MJ-850
Диапазон: CB (27 МГц)
320 (360) каналов
Мощность 18 Вт
Корейская сборка
6690 руб.
4400 руб.

 


ВходРегистрация