Как се излъчват радиовълните? Кондензатор, индуктор, резонанс?

[ahedproductions]

Привет сандъкчии!
Вече няколко пъти ми задават този въпрос. Повечето хора не могат да осъзнаят какво всъщност се случва в една предавателна антена и как някои от тези невидими вълни се разпространяват по целия свят. Ще се опитам да обясня с помощта на малко картинки от една любима книга и интернет.
Нека първо уточним някои неща. Приемаме за заредена частица електрона. Неговото електрическо поле в покой (когато няма напрежение, което да предизвика неговото движение, т.е. да протече ток) е сферично. То няма магнитна съставна, тя се появява само при движение на заряда, т.е. цялата енергия на частицата е потенциална.
Когато приложим напрежение между двата края на един проводник и по него протича ток, резултантното магнитно поле, предизвикано от движението на частиците ще бъде в плоскост перпендикулярна на проводника, а посоката на силовите му линии ще се подчинява на правилото на дясната ръка:



Когато палецът сочи по посока на тока, пръстите сочат по посока на магнитните силови линии, т.е. имаме ляво въртене. Ако сега навием проводника в соленоидна форма (бобина), полетата на отделните навивки ще се сумират и увеличат взаимно и ще получим класическия вид на соленоидното поле:



Това явление наричаме магнитна индукция - създаване на магнитно поле чрез преместване на електрически заряди. Явлението е двупосочно, т.е. 1) ако движещ се проводник премине през статично магнитно поле ИЛИ 2) движещо се магнитно поле премине през статичен проводник, то в проводника ще се наблюдава "увличане" на свободните заряди и създаването на потенциална разлика между двата му края. Ако пък към този проводник имаме свързан товар, т.е. веригата е затворена - ще протече ток! Този ефект наричаме самоиндукция.
Нека дам два известни примера за двата вида самоиндукция:
1) Движещ се проводник през статично поле - ГЕНЕРАТОР
2) Движещо се поле през статичен проводник - ТРАНСФОРМАТОР
Особенност на трансформаторите е, че за да създадем движещо се поле със статично разположена намотка е нужно да пропуснем през нея ПРОМЕНЛИВ ток, т.е. транформаторите НЕ работят с постоянен ток.
Нека сега направим един експеримент!
Нека свържем източник на постоянен ток към една бобина. Какво ще се случи? За някакво крайно време, ограничено от вътрешното съпротивление на батерията, около соленоида ще "разцъфне" магнитно поле. Нека сега разкачим батерията, какво ще се случи? Според законите за запазване на енергията, натрупаната в полето енергия не може просто да престане да съществува! Полето просто ще се "срине" наобратно през намотките на соленоида, свивайки се към оста, пресичайки самия проводник, който го е създал! Така чрез самоиндукцията ще се създаде напрежение върху соленоида, което има 2 особенности:
1) Посоката му е ОБРАТНА на това, което го е създало, защото полето се движи в обратната посока.
2) Стойността му е ПО-ВИСОКА, от тази на батерията, защото докато при създаването му скоростта на нарастване е била ограничена от физическите възможности на батерията (вътрешно съпротивление), то при свиването му се достига почти скоростта на светлината. Тази особенност ни разкрива защо не е добра идея да разкачаме големи индуктивни товари докато през тях тече ток (например 150 киловатов електродвигател!) и защо тази постъпка обикновенно довежда до волтови дъги и тежки инциденти.
Особен интерес за нас представлява първата особенност. Тя ни подсказва причината да наричаме индуктивността РЕАКТИВЕН (реагиращ) елемент - тя се съпротивлява на всяко изменение на протичащия през нея ток! Т.е. токът през нея закъснява спрямо напрежението върху нея.
Другия реактивен елемент, който познаваме всички е кондензатора. Там нещата са далеч по-прости! Когато един кондензатор е незареден, той представлява "черна дупка" за всеки заряд. Бобината има активно съпротивление на проводника, от който е навита, и загубите в нея ограничават максималните изменения на тока през нея във времето (или качествения ѝ фактор Ql), докато кондензаторите, особенно тези с диелектрик с малки загуби, като вакуумните и въздушните, са способни за кратки периоди от време да пропуснат огромни зарядни токове през себе си. Точно тази характеристика на кондензаторите ги прави реактивни елементи - токът може да потчете през тях веднага, но докато не се заредят, напрежението върху тях  изостава от тока.
Ето и практически пример с конкретни стойности и графики:



Както виждате, напрежението, честотата на източника и двата импеданса на кондензатора и индуктора са еднакви за честотата, т.е. токовете ще бъдат еднакви. Но в първия случай токът изпреварва напрежението, а във втория закъснява спрямо него.
Нека сега за момент си представим следното: какво ще стане, ако вземем този кондензатор 470нФ и го свържем паралелно на индуктора от 54мХн? Дали двата елемента с еднаква по абсолютна стойност, но противоположна по характер реактивност няма да се компенсират някак взаимно? И какво ще се случи тогава?
Тогава, драги колеги, ще се получи едно от чудесата на природата, наречено РЕЗОНАНС. Бобината и кондензатора ще се превърнат от два реактивни елемента в един активен за генератора, и то такъв с голямо активно съпротивление! Напрежението ще нарасне в пъти и ще наблюдаваме едно ритмично "подаване" на енергия между кондензатора и индуктора, характеризиращо се с минимални загуби (практически само Rl, активното съпротивление на проводника на бобината), увеличен ток в кръга (в Qпъти, т.е. ако качествения фактор Q на системата е 100, токът при резонанс ще е 100 пъти по-висок от отдадения от генератора!). Тък като при резонанс огромна част от тока остава вътре в системата LC, генераторът отдава само минимална енергия, за да компенсира загубите.
Тази система наричаме ПАРАЛЕЛЕН ТРЕПТЯЩ КРЪГ. Той е основна градивна единица на радиотехническите устройства и поради факта, че само дадена комбинация от C и L дава резонанс за дадена честота, имаме възможността да използваме кръга като селективен елемент в радиоприемниците. За честотата за резонанса кръгът има огромно съпротивление, за останалите малко. За това като го свържем между антената и земята, той дава на късо всички станции, освен тази, на която сме го настроили! И като добавите един диод и едни слушалки - ето ви детекторния приемник. Такъв резонанс наричаме ТОКОВ, а резонанса в последователния трептящ кръг, имащ ниско съпротивление при резонанс, наричаме НАПРЕЖИТЕЛЕН. Причината е, че в първия случай се обменя Q пъти по-голям ток между елементите, а във втория - се появява в Q пъти по-голямо напрежение от генераторното последователно върху двата елемента.



Ето и графика на ТОКА в кръга за един пълен период на честотата. Ако просто заредим кондензатора и го свържем с бобината активните загуби в бобината ще предизвикват затихване на процеса до неговото спиране, но ако добавим генератор, чиято честота е равна на резонансната, ще има компенсиране на загубите и процеса ще продължи неограничено време. А защо не ви показвам графика на напрежението? Нужно ли ви е? Кога напрежението ще е в максимум? Когато кондензатора е зареден до край и когато свиващото се магнитно поле на бобината тъкмо е изчезнало, т.е. в точките а1, в1 и д1. Токът при резонанс закъснява спрямо напрежението на 90 електрически градуса. Но това не променя факта, че спрямо външния свят (генератора) се вижда активен високоомен товар. Чудна работа е резонанса!!!
Нека сега направим следващия експеримент. Трептящите кръгове не са добри излъчватели на енергия, защото и бобината и кондензатора са елементи със средоточени параметри, т.е. техните електромагнитни полета като цяло са ограничени в и около физическите им граници. Как тогава да излъчим, създадената от нас в кръга вълна?? Ето как:



Нека вземем един паралелен трептящ кръг, захранен трансформаторно от генератора, т.е. с допълнителна навивка. Разгъваме кондензатора и "разтваряме" неговото поле. Ако сега заместим трансформатора с еквивалентен източник на напрежение ще получим една класическа отворена система, наречена ДИПОЛ. Ако дължината на дипола е равна на 1/2 от дължината на вълната на генератора се получава чудна картинка! Доплът става резонансен! Т.е. при изменение на напрежението на генератора, зарядите "бягат" от единия до другия край на проводниците ритмично в такт с честотата. Ту се струпят в горния край, ту в долния! И това движение на зарядите СЪЗДАВА ДВИЖЕЩО СЕ МАГНИТНО ПОЛЕ ! НО ТЪЙ КАТО ГЕНЕРАТОРА Е РАЗПОЛОЖЕН В СРЕДАТА НА ПРОВОДНИКА, СЕ ПОЛУЧАВА СЛЕДНИЯ ЕФЕКТ:



Ето това колеги е чудото на радиопредаването! В първите три стъпки виждате как полето нараства с напрежението на генератора. След достигане на пика на полупериода, напрежението започва да намалява, НО ТЪЙ КАТО ПРОВОДНИКА Е ОТВОРЕН, А НЕ ЗАТВОРЕН, ПОЛЕТО НЯМА КАК ДА СЕ СВИЕ ПРЕЗ НЕГО! Вместо това, то започва да се "прищипва" към средата на проводника и на края на полупериода, на 6-тата картинка, може да видите как силовите му линии се затварят и то СЕ ОТДЕЛЯ ФИЗИЧЕСКИ ОТ ДИПОЛА! В следващия момент (долния ред) генератора сменя полярността на напрежението и започва да се създава ново поле ПРОТИВОПОЛОЖНО ПО ПОСОКА на първото. То "изтласква" първото навън, отдалечавайки го от дипола. И нещата се повтарят!
ТОВА Е! И тъй като електрическата и магнитната съставни на това поле са "завъртяни" и "отместени" на 90 електрически градуса, електромагнитното поле на дипола изглежда така в 3D:



Основното количество енергия се излъчва в посока перпендикулярна на дипола. Диаграмата на насоченост е като поничка. Електрическото поле е маркирано с Е (синьо), а магнитното с В (червено). Двете са преплетени и образуват електромагнитното поле, което наричаме радиовълна.



Ето тук - https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3d/Dipole.gif - може да видите анимиран гиф с излъчването на вълните, много е описателен.
И така, тези слаби вълни се разпространяват точно като вълните, предизвикани от хвърлен във водата камък! И в един момент пресичат вашита антени, индуцирайки в нея слаби напрежения, които са точно умалено копие на огромните такива в предавателната антена, намираща се може би на 10000 километра от вас.
Антените, които имат един излъчващ елемент, като например предавателната кула във Вакарел, се наричат МОНОПОЛ. Там за противовес на антената се използва земята и по тази прична нейната височина е 1/4 дължина на вълната.
А нашите приемни антени, парчето жица между два изолатора, е НЕРЕЗОНАНСНА антена, т.е. просто парче проводник, в което да се индуцира напрежение от вълната.
Можем ли да ползваме резонансна антена за приемна? Да, разбира се, дори ще имам по-силен сигнал в приемника! Но какво ще правин на другите честоти, освен резонансната?
 
 

[stoi]

Въпрос ! Както е известно природата на звуковите вълни, радиовълните и светлината (пак  вид вълна, която се разпространява с помоща на фотоните) е да речем една и съща. Разликата е честотата. Звуковите вълни се разпространяват във въздушна среда или водна среда т.е някакъв вид преносна среда. Радиовълните също разпространяват вид енергия , но как това се получава във абсолютен вакуум, където липсва каквато и да е частица или позната материя, която да е "проводник" на енергия ? Преносната среда на звуковите вълни са частици във въздуха, преносителите на светлина са фотоните, а преносителите на радиовълни в пространството в среда на абсолютен вакуум коя е ? Пак фотона ?

[ahedproductions]

Нашите гласни струни предават своите вибрации на околния въздух, предизвиквайки поредица от сгъстявания и разреждания в него, които се разпространяват и наричаме звукови вълни. Но тези вълни не представляват порции енергия, които се пренасят през пространството, а ИЗМЕНЕНИЕ на енергията в точка от НЕПРЕКЪСНАТА среда - дали ще е въздух или вода, все тая и това изменение се разпространява в средата. И двете среди обуславят разпространението на някакъв енергиен фронт, едната чрез изменение на налягането (въздух), а другата чрез изменение на нивото (вода).
От друга страна електромагнитните вълни не са енергия, предавана като фронт в непрекъсната среда. Електромагнитната вълна е сама по себе си енергиен преносител и поради физичния си характер има само едно условие за нейното разпространение - средата да е диелектрична, за да няма загуби от индукция, която източва енергията от вълната.
Светлината вече е нещо съвсем различно. Тя не е вълна, която се разпространява с помощта на фотони. Това са два начина да възприемем светлината. Ако я третираме като вълна, то тя е електромагнитно излъчване. Ако обаче я третираме като частица, то тя е енергия, идваща на порции, наречени фотони. И двете са ЕДНОВРЕМЕННО истина. Светлината е електромагнитна вълна с много висока честота, която се излъчва (както радиовълните) на порции, които пренасят енергия. Това е нейния дуалистичен характер, който прави възможно осмислянето и развитието на квантовата физика.

[PDM]

Светлината може да се разглежда и като частица, и като вълна. Вълните се пренасят от полето - електромагнитно или гравитационно. Теорията на полето е доста сложна и се описва с едни доста сложни формули.

[ahedproductions]

Да, светлината се намира на границата на конвенкнционалната физика. Тя е горна граница като скорост и честота на изменение в нея. От там нагоре е физиката на високите енергии и квантовата физика.

[stoi]

Електромагнитната вълна е сама по себе си енергиен преносител и поради физичния си характер има само едно условие за нейното разпространение - средата да е диелектрична, за да няма загуби от индукция, която източва енергията от вълната.
Светлината вече е нещо съвсем различно. Тя не е вълна, която се разпространява с помощта на фотони.

Обаче пък в укипедията пише следното, че фотона е приносител, а не самата електромагнитна вълна сама по себе си да е приносител :

"Фотон е елементарна частица, един от калибровъчните бозони, който е преносител на квант енергия на електромагнитното излъчване
Съгласно стандартния модел във физиката на елементарните частици, фотоните са отговорни за съществуването на всички електрични и магнитни полета като следствие от симетрията на физичните закони по отношение на временните и пространствените координати."

Т.е с една дума от по-горното излиза че щом фотона е преносител , нямаме ли фотон,  нямаме и разпространение на електромагнитно излъчване  ? Още повече, че и той самия по себе си е отговорен за съществуването и.

[ahedproductions]

Фотонът е калибровъчна частица, т.е. не е физическа частица а порция (квант) енергия. Ако приемем, че 1л. бензин е един квант енергия, то 30 фотона ни пълнят резервоара. Това е игра на думи за улеснение на научния подход към явления, за които нямаме човешки сетива, а не някаква изключително трудна за рабиране частица без маса. Така че можем да приемем всяка от елелктромагнитните "понички", които бълва нашата антена за един "радио" фотон и ще сме прави. Те са порция електромагнитна енергия.

Съгласно стандартния модел във физиката на елементарните частици, фотоните са отговорни за съществуването на всички електрични и магнитни полета като следствие от симетрията на физичните закони по отношение на временните и пространствените координати.

Ето това вече не зная от къде се е пръкнало и кой го е снесъл. Убеден съм, че в нито един сериозен физичен труд НЯМА такова твърдение. Фотонът не е причина или следствие, той е форма. По-скоро някой е имал пред вид, че ако имаме енергия на порции, нейното разпространение може да бъде наречено вълна и да, тя има пространствена симетрия спрямо осите си на зараждане и разпространение. Видима е от предпоследната картиника горе.

[ahedproductions]

Ако пък към този проводник имаме свързан товар, т.е. веригата е затворена - ще протече ток! Този ефект наричаме самоиндукция.
Нека дам два известни примера за двата вида самоиндукция:
1) Движещ се проводник през статично поле - ГЕНЕРАТОР
2) Движещо се поле през статичен проводник - ТРАНСФОРМАТОР

Улових си грешка, явно мисълта е изпреварила ръката... Този ефект се нарича индукция, тук употребата на самоиндукция на двете места е грешна. Самоиндукцията е когато собственото магнитно поле индуцира обратно напрежение в намотките, които са го създали. Звинете! 

[PDM]

Теория на полето, обяснена популярно
http://bgchaos.com/760/fractals/quantum-mechanics-field/%D0%BA%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B0-%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F-%D0%BD%D0%B0-%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BE/
Въобще целият сайт е много интересен /поне за мен/

[stoi]

Фотонът е калибровъчна частица, т.е. не е физическа частица а порция (квант) енергия. Ако приемем, че 1л. бензин е един квант енергия, то 30 фотона ни пълнят резервоара. Това е игра на думи за улеснение на научния подход към явления, за които нямаме човешки сетива, а не някаква изключително трудна за рабиране частица без маса. Така че можем да приемем всяка от елелктромагнитните "понички", които бълва нашата антена за един "радио" фотон и ще сме прави. Те са порция електромагнитна енергия.

Ето това вече не зная от къде се е пръкнало и кой го е снесъл. Убеден съм, че в нито един сериозен физичен труд НЯМА такова твърдение. Фотонът не е причина или следствие, той е форма. По-скоро някой е имал пред вид, че ако имаме енергия на порции, нейното разпространение може да бъде наречено вълна и да, тя има пространствена симетрия спрямо осите си на зараждане и разпространение. Видима е от предпоследната картиника горе.

Фотона на първо място е елементарна частица. Тя не е просто друго наименование за "енергия". Думата Енергията е просто скаларна физична величина. А фотона това е частица , която не е съставена от други частици. Не може да се отрече че светлината всъщност това са фотони , които идват от слънцето и достигнат до нас. Енергията която отдават при "сблъсъка си в нещо" не идва от масата им а от огромната скорост. Може би разминаването идва от там че фотона има свойството хем на частица хем и на и вълна едновременно. Но на мен първоначалната идея и теория ми беше че ако предположим че има място на което направим така че да няма нищо, и най-вече фотони, електромагнитна вълна не би трябвала да се разпространява в това пространство.

http://www.colorado.edu/physics/EducationIssues/ModernPhysics/Lecture_Notes/CSMSP11_Lecture11_AtomicSpectra(asgiven).pdf