アンテナの放射方法（ワイヤを通る電流の流れ）

アンテナが信号を放射する方法がわかりません。

私は基本的なアンテナ（波長、電子電界、...）を理解していますが、負極を持たないワイヤに電流が流れる方法を理解していません。

説明してください。

完全な回路がない場合、電流がどのように流れるかを理解していないと思います。例として単純な4分の1波長ダイポールを見てみましょう。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

V1の「-」から「+」までの完全な回路がないため、どのように電流が流れるのでしょうか。

これを考慮してください。電磁場の波が伝播する速度に比べて、双極子は長いです。電流が流れないことは事実ですが、ワイヤの終端に到達するまでそれを知りません。電流がワイヤの端に近づくが行く場所がなくなると、電荷は反対方向に押し戻されるまで蓄積されます。それはバックだ時点で、それが旅だまたは経験した180 ∘位相シフトを。この時点でV1の電圧も変化しているため、V1によって生成される新しい電流に電流が建設的に追加されています。このエネルギーの一部が放射として失われないのであれば、このアンテナのエネルギーは際限なく増大します。$\lambda/2$$180^\circ$

エネルギーが放射する理由は複雑です。長い答えは「マクスウェルの方程式」です。その数学のざらざらした詳細をすべて理解したくない場合は、単純で不完全な理解があります。アンテナの電流は磁場に関連付けられ、電圧は電界に関連付けられています。アンテナとは、アンテナからある程度離れた場所（遠方界）で、これら2つの界が相互に垂直で同相になるような配置のことです。得られるのは、次のような自己伝播波です。

赤は電場（E）、青は磁場（B）です。これは、Z軸に整列したダイポールによって放射される一種の波です。

これは私が自分の初心者の無知を乗り越えるのを助けた簡略化されたバージョンです。

基本的に小さなアンテナには、小さなループアンテナと短いダイポールアンテナの2種類があります。小さなループアンテナは単なるワイヤのリングであり、ワイヤ内の電流はアンテナを取り巻く磁界を生成します。デバイスはインダクタですが、空間を埋める大きな磁場を持つものです。

一方、短いダイポールアンテナは、空気中に突き出た金属製の「コンデンサプレート」のペアであり、電圧が印加されると、周囲の空間に電界が発生します。デバイスは単なるコンデンサですが、この場合も、周囲の領域に大きな空間充填フィールドがあります。

一定の電圧または電流の代わりに正弦波を適用すると、「アンテナ」の周りのフィールドが拡大し、ゼロに収縮し、再び拡大しますが、後方を向いて...繰り返します。波は生成されないので、実際には無線アンテナではありません。しかし、彼らはいくつかのローカルEMフィールドを宇宙に作成しています。

プロセスの視覚的なバージョンを使用したMITの「TEAL」ビデオプロジェクトを次に示します。

bフィールドまたはeフィールドの拡大/縮小

今のところ大丈夫？ループアンテナは磁界を生成し、ダイポールアンテナは電界を生成します。どちらかのアンテナを非常に高い周波数で駆動すると、奇妙なことが起こり始めます。それは、あるいは私たちも、60Hzのは限りアンテナに関しては、「無線信号」の型になりますように大きなサイズのいずれかで、アンテナのバージョンを構築することができます。

ここに問題があります。これらのアンテナを取り巻く磁場または電界は、光の速度よりも速く伸縮することはできません。それでは、これらのデバイスに印加されるACパルスが「速すぎる」としたらどうなりますか？インダクターまたはコンデンサーの周囲のフィールドは外側に膨らんでから再び吸い込まれなければなりませんが、速度が光の速度に近い場合はどうでしょうか？それは、フィールドが見えない風船を膨らませたり縮めたりするように作用するのを止めるときです。代わりに、フィールドは波として動作し始めます。

そのため、AC正弦波の間に極性を反転させると、通常どおり、eフィールドまたはbフィールドが完全に吸い戻されることはありません。代わりに、アンテナから剥がれ、動き続けます。場のエネルギーの一部は取得されず、代わりに宇宙に失われます。ループアンテナは単なるインダクタではなく、波を作り始めました。そして今、私たちのダイポールは、単なるコンデンサではなく、ウェーブランチャーです。

YT vid：小型アンテナを囲む電磁場

いい質問です！複雑な答え。これがリターンパスなしで発生する理由（「負の極」）を理解するには、オームローを超えて移動する必要があります。

すべての加速電荷が放射されます。したがって、交流電流を伝導するすべてのものがアンテナとして機能します。しかし、しばしばそれらは貧弱なアンテナであり、十分に放射しません。その結果、問題を簡素化するために、この側面をしばしば無視することができます。

良いアンテナを作るには、アンテナから遠ざかる方向に移動する電磁放射（エネルギーが電界と電界に含まれる）に電力（エネルギーは電圧と電流に含まれる）を伝達する必要があります。これには、アンテナのインピーダンスをおおよそ一致させる必要があり、放射を引き起こす電流が同相で加算されるため、伝送ラインの場合のように互いに相殺されません。Jim Deardenが述べたように、物理的な長さに応じて定在波を取得またはキャンセルするようにこれを設計できます。

「負極を持たない」という質問の問題は、電圧と電流の3Dアスペクトとフィールドに関係のない単純化された回路モデルの使用に関連しています。電流は、伝導性のあるものであれば何でも流れることができます（極または無極）。外部EM（電磁）波は常にこれを行います。ただし、これを予測できるオーム則モデルはありません。

単純なオームの法則からステップアップするために、エンジニアは「放射線抵抗」モデルを採用しました。これは、標準のオーム抵抗と同様の方法で使用されます。オームの法則では、放散されたエネルギーは熱に変わります。放射抵抗モデルでは、放散されたエネルギーは放射に変換されます。

耐放射線性は、エンジニアが既知の回路要素（つまり、通常RF担当者が計算してくれる）を評価するためのシンプルなツールにすぎません。Maxwellの式を使用したり、物理回路に境界条件を適用して放射モードを正確に理解したりする必要はありません

回路の動作を理解するための真の鍵は、放射の側面を考慮することが重要な場合を理解することです。回路の動作周波数の波長が回路のサイズに物理的に近い場合、オームの法則はすぐに壊れ始めます。経験則として、波長と回路サイズの比率が0.1より大きい場合、Maxwellの方程式を適用して、その回路がどのように機能するかを理解する必要があります。したがって、「四分の一波長」アンテナという用語は、EM理論を適用して回路の動作を理解する必要があることを示す手がかりになるはずです。

時間がある場合は、EM放射の理解に関するこの記事を消化してください。オームの法則が予測できない方法で回路がどのように機能するかについて、家庭教師エンジニア向けに設計されています。それには多くのEM理論がありますが、動作周波数が回路の物理的なサイズに近づくと、回路解析に大きな違いがあることを理解するためにすべてを本当に理解する必要はありません。

編集：私はちょうど役立つかもしれない別の例を考えました。コンデンサにはリターンパスがありません。それらは単なる開回路ですが、何らかの形で動作します。これ（および単にショートしているインダクタ）は、放射特性のためにのみ機能します。エンジニアは、EM方程式を固定要素（または集中要素）に変換して、オーム則モデルに組み込み、作業を容易にする方法を見つけました。アンテナのように、そこに座っている金属片がどこにも行かないだけでなく、はるかに多くのことが起こり得ます。

これはおそらくQに実際に答えているわけではありませんが、いくつかの完全なテキストの説明とは異なり、ダイポール（アンテナ）を理解する-そしてそれが放射する方法は、LC回路を理解することから来ましたhttps://en.wikipedia.org/wiki /File:LC_parallel_simple.svg

この単純なアニメーションを見た後（「双極子の形成方法」）：

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Dipolentstehung.gif

大量のテキストとは異なり、それは本当に目を見張るものでした。

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Dipole_receive_antenna_animation_6_800x394x150ms.gif

アンテナのワイヤに電流が流れる方法は、光の速度が有限であり、アンテナのサイズがゼロでない（アンテナの設計周波数での光の速度に対して）だけでなく、ゼロ容量。基本的な物理学。

光の速度は有限であるため、長さがゼロでないワイヤの一端は、光の速度により瞬時に均等化が妨げられるため、他端とは異なる電圧になり、電荷が異なる場合があります。ある程度の時間が必要になります（ワイヤーの各フィートで約1ナノ秒、1メートルあたり約3 nS、おそらく少し遅くなります）。

ワイヤーをバッテリーに接続すると、電流または電子が一方の端からもう一方の端に流れます。しかし、ワイヤが非常に長い場合、たとえば、光の速度が一方の端から他方の端に到達するまでに0.25 uSかかる場合はどうでしょうか。そして、電流が一方の端から流れ始めた場合、0.25 uS後まで電流がワイヤのもう一方の端からバッテリーに流れているかどうかを実際に「認識」しません。

そのため、電線の一端のみを電圧源に接続すると、電流が流れ始め、電線の他端に達すると、コンデンサのように電線の遠端を充電します。どこに行くべきか（反対側のバッテリー端子は見つかりませんでした）。ただし、DCバッテリーではなく1 MHz発振器で近端を駆動している場合、遠端が充電されるまでに、そのコンデンサを放電するのに間に合うように近端は急速に電圧を反転します（さらに0.25 uSその料金がフィードポイントに戻るため）。

ワイヤの有限長にもインダクタンスがあります。そのインダクタンスは、ワイヤを伝わる電荷に抵抗する逆起電力を引き起こします。その抵抗により、ワイヤのエネルギーが失われ、エネルギーの保存により、そのエネルギーは電磁場に光の速さでアンテナから飛び出し、反作用の波よりも速くなります（ワイヤの逆方向の電荷によって引き起こされます）追いついてキャンセルできます。これらの交互のEMフィールドフロントは、アンテナの近距離場から離れて放射されるため、標準のRF波に変わります。

回路の負極は、双極子のもう半分の遠端であり、逆に充電および放電されます。または、垂直モノポールアンテナの場合、惑星地球（および/またはアース線、ラジオケース、手、最終的には宇宙全体）は、コンデンサの反対側のプレートになります。

完全に正しいわけではありませんが、このアプローチが役立つと思います。バッテリーとその端子で接続された2本のワイヤがオープンエンドであることを想像してください。バッテリーには強力なものがあります。これは、バッテリーに電界が存在することを意味します。この電界は接続されたワイヤ全体に存在し、同じ電位が達成されるまでそれぞれの端で+ veおよび-ve電荷の蓄積を引き起こします。これは、バッテリーの電位が変化しない限り残ります。これで、両方の開放端の電位がバッテリーの電位と同じになります。バッテリーの電位を上げると、電位がバランスするまで充電が終わりに移動します。そして、電位を下げると、いくつかの電荷が戻ります。チャージの移動は短時間ですが。この動きは、AC電圧が印加されると連続的に起こります。電荷を効果的に振動させ、EM波を生成します。お役に立てれば ：）

放射とアンテナのメカニズム

電波は大気中の目に見えない交流です。光波は大気中に見える交流です。

アンテナは電流の終端です。電流はアンテナを通過せず、電圧だけが入力電流で振動します。送信機アンテナのこの振動電圧は、空気に交流電流を誘導し、アンテナの表面から90度の角度で伝播し、空気を通過して受信機アンテナに到達し、振動電圧を誘導します。

このプロセスでは、アンテナは風船のようなものであり、電流は空気のようなものであり、電圧は空気圧のようなものです。

空気がバルーンに出入りすると、バルーン内の圧力が変化し続け、空気中に縦音波が発生します。

同様に、電子がアンテナに出入りするとき、アンテナの電圧は変化し続け、空気中に縦方向の静電波を生成します。実際、これは空気中の交流です。

真空空間では、クーロンの力は電気エネルギーの伝導体です。アンテナの表面にある視線の電子は、クーロンの力で常に反発しています。F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2。

この反発力は、質量と体のない剛性ロッドとして機能し、2つのアンテナ間で電気エネルギーを瞬時に自由にやり取りします。

同じ極が互いに向き合うように、各手で磁石を持ちます。強い反発力を感じますか？はい。手を振ってください。運動エネルギーがもう一方の手に即座に伝達されるのを感じますか？はい。同じ周波数で両手を振っていますか？はい。両手の間を伝わる電磁波はありますか？いや

反発磁力は、両手の間の運動エネルギーの伝導体であり、運動エネルギーを瞬時に自由に伝達できます。この現象を磁気放射と呼ぶことができます。

磁石の代わりに電子を手に持っている場合、それは静電放射であり、科学者による電磁放射の誤解です。

交流電流の方向は常にアンテナの表面に垂直であり、縦波として空中を伝播します。