Iga juhtmeta seade vajab antenni. See juhtiv mehaaniline seade on muundur, mis teisendab edastatava raadiosagedusliku (RF) signaali elektri- ja magnetväljadeks, mis moodustavad raadiolaine. Samuti muudab see vastuvõetud raadiolaine tagasi elektrisignaaliks. Antennide jaoks on võimalik peaaegu lõpmatu arv konfiguratsioone. Enamik neist põhinevad aga kahel põhitüübil: dipool- ja piitsantennidel.

Mõiste "antenn"

Raadiolaine sisaldab magnetväljaga risti olevat elektrivälja. Mõlemad on levimissuunaga risti (pilt allpool). See elektromagnetväli loob antenni. Seadme väljastatav signaal genereeritakse saatjas ja saadetakse seejärel ülekandeliini, tavaliselt koaksiaalkaabli abil antenni.

Jooned on magnetilised ja elektrilised jõujooned, mis liiguvad koos ja toetavad üksteist antennist "väljapoole liikudes".

Pinge tekitab antennielementide ümber elektrivälja. Antennis olev vool tekitab magnetvälja. Elektri- ja magnetväli ühinevad ja regenereerivad üksteist vastavalt Maxwelli kuulsatele võrranditele ning "kombineeritud" laine saadetakse antennist kosmosesse. Signaali vastuvõtmisel indutseerib elektromagnetlaine antennis pinge, mis muudab elektromagnetlaine tagasi elektrisignaaliks, mida saab edasi töödelda.

Mis tahes antenni orientatsioonil on esmatähtis polarisatsioon, mis viitab elektrivälja (E) orientatsioonile maapinnaga. See on ka edastavate elementide orientatsioon maapinna suhtes. Maapinnaga risti asetsev vertikaalselt paigaldatud antenn kiirgab vertikaalselt polariseeritud lainet. Seega kiirgab horisontaalselt paiknev antenn horisontaalselt polariseeritud lainet.

Polarisatsioon võib olla ka ringikujuline. Erikonfiguratsioonid, nagu spiraalsed või spiraalsed antennid, võivad kiirata pöörlevat lainet, tekitades pöörleva polariseeritud laine. Antenn võib luua pöörlemissuuna kas paremale või vasakule.

Ideaalis peaks nii saate- kui ka vastuvõtuseadmete antennidel olema sama polarisatsioon. Sagedustel alla umbes 30 MHz peegeldub, murdub, pöörab või muul viisil laine atmosfäär, maapind või muud objektid. Seetõttu ei ole kahe külje polarisatsiooni sobitamine kriitiline. VHF, UHF ja mikrolaine sagedustel peab polarisatsioon olema sama, et tagada signaali kõrgeim kvaliteet. Ja pange tähele, et antennidel on vastastikkus, see tähendab, et need töötavad võrdselt hästi nii edastamisel kui ka vastuvõtul.

Dipool- või sümmeetriline dipoolantenn

Dipool on poollaine struktuur, mis on valmistatud traadist, torust, trükkplaadist (PCB) või muust juhtivast materjalist. See on jagatud kaheks võrdseks veerandlainepikkuseks ja toidetakse ülekandeliini kaudu.

Jooned näitavad elektri- ja magnetvälja jaotust. Üks lainepikkus (λ) on võrdne:

poollaine:

λ/2 = 492/f MHz

Tegelikku pikkust vähendatakse tavaliselt sõltuvalt antennijuhtmete suurusest. Elektrilise pikkuse parim ligikaudne väärtus:

λ/2 = 492 K/f MHz

kus K on koefitsient, mis on seotud juhi läbimõõdu ja selle pikkusega. See on 0,95 traatantennide puhul, mille sagedus on 30 MHz või vähem. Või:

λ/2 = 468/f MHz

Pikkus tollides:

λ/2 = 5904 K/f MHz

Suurema läbimõõduga elementide puhul on K väärtus väiksem. Pooltollise läbimõõduga toru puhul on K 0,945. 165 MHz dipoolkanali pikkus peab olema:

λ/2 = 5904 (0,945)/165 = 33,81 tolli

või kaks 16,9-tollist segmenti.

Pikkus on oluline, kuna antenn on resonantsseade. Maksimaalse kiirgusefektiivsuse saavutamiseks tuleb see häälestada töösagedusele. Samas töötab antenn kitsas sagedusvahemikus üsna hästi, nagu resonantsfilter.

Dipooli ribalaius sõltub selle struktuurist. Seda määratletakse üldiselt kui vahemikku, mille piires antenni seisulaine suhe (SWR) on väiksem kui 2:1. SWR-i määrab signaali hulk, mis peegeldub seadmelt tagasi mööda seda toitavat ülekandeliini. See on antenni impedantsi funktsioon ülekandeliini takistuse suhtes.

Ideaalne ülekandeliin on tasakaalustatud juhtiv paar takistusega 75 oomi. Võib kasutada ka koaksiaalkaablit, mille iseloomulik takistus on 75 oomi (Zo). Kasutada võib ka 50-oomise iseloomuliku takistusega koaksiaalkaablit, mis sobib antenniga hästi seni, kuni see on alla poole lainepikkusest maapinnast.

Koaksiaalkaabel on tasakaalustamata liin, kuna RF-vool liigub koaksiaalvarjest väljapoole, tekitades läheduses asuvates seadmetes soovimatuid indutseeritud häireid, kuigi antenn töötab suhteliselt hästi. Parim toitemeetod on kasutada koaksiaalkaabliga toitepunktis baluntrafot. Balun on trafoseade, mis teisendab tasakaalustatud signaalid tasakaalustamata signaalideks või vastupidi.

Dipooli saab paigaldada horisontaalselt või vertikaalselt, sõltuvalt soovitud polarisatsioonist. Ideaaljuhul peaks toitejuhe olema kiirgavate elementidega risti, et vältida kiirguse moonutusi, nii et dipool on enamasti horisontaalselt orienteeritud.

Antenni signaali kiirgusmuster sõltub selle struktuurist ja paigaldusest. Füüsiline kiirgus on kolmemõõtmeline, kuid seda esindavad tavaliselt nii horisontaalsed kui ka vertikaalsed kiirgusmustrid.

Dipooli horisontaalne kiirgusmuster on kaheksas (joonis 3). Antennile ilmub maksimaalne signaal. Joonis 4 näitab vertikaalset kiirgusmustrit. Need on täiuslikud isendid, mida maapind ja kõik läheduses olevad objektid kergesti moonutavad.

Antenni võimendus on seotud suunatavusega. Võimendust väljendatakse tavaliselt detsibellides (dB), mis põhinevad mõnel "referentsil" nagu isotroopne antenn, mis on raadiosagedusliku energia punktallikas, mis kiirgab signaali igas suunas. Mõelge punktvalgusallikale, mis valgustab laieneva sfääri sisemust. Isotroopse antenni võimendus on 1 või 0 dB.

Kui saatja kujundab või fokusseerib kiirgusmustrit ja muudab selle suunatumaks, on sellel isotroopne antenni võimendus. Dipooli võimendus isotroopse allika suhtes on 2,16 dBi. Mõnel juhul väljendatakse võimendust dipooli referentsväärtuse funktsioonina dBd-des.

Vertikaalne antenn koos täiendavate horisontaalsete peegeldavate elementidega

See seade on sisuliselt pool dipool, mis on paigaldatud vertikaalselt. Selle seadistuse kirjeldamiseks kasutatakse ka terminit monopool. Antenni all olev maapind, väikseima λ/4 raadiusega juhtiv pind või λ/4 juhtide muster, mida nimetatakse radiaalideks, moodustavad antenni teise poole (joonis 5).

Kui antenn on ühendatud hea maandusega, nimetatakse seda Marconi antenniks. Põhistruktuur on saatja teine ​​λ/4 pool. Kui alusplaat on piisava suuruse ja juhtivusega, on maandusomadused samaväärsed vertikaalselt paigaldatud dipooliga.

Veerandlaine vertikaalne pikkus:

λ/4 = 246 K/f MHz

Vertikaalide puhul, mida toodetakse tavaliselt laiema toruga, on K-tegur väiksem kui 0,95.

Toitepunkti impedants on pool dipooli ehk ligikaudu 36 oomi. Tegelik arv sõltub kõrgusest maapinnast. Nagu dipool, on ka alusplaat resonants ja sellel on tavaliselt põhitakistusele reageeriv komponent. Kõige tavalisem ülekandeliin on 50-Ω koaksiaalkaabel, kuna see sobib antenni impedantsiga suhteliselt hästi alla 2:1 SWR-iga.

Vertikaalne antenn koos täiendava peegeldava elemendiga on mitmesuunaline. Horisontaalne kiirgusmuster on ring, milles seade kiirgab signaali kõikides suundades võrdselt hästi. Joonis 6 näitab vertikaalset kiirgusmustrit. Võrreldes dipooli vertikaalse kiirgusmustriga on alusplaadil väiksem kiirgusnurk, mille eeliseks on laiem levik sagedustel alla 50 MHz.

järeldused

Lisaks saab kahte või enamat vertikaalset antenni konfigureerida täiendava peegeldava elemendiga, et luua suunatum ja võimendatud signaal. Näiteks suunaga AM-raadio kasutab kahte või enamat torni tugeva signaali saatmiseks ühes suunas, samas kui teises suunas selle tühistab.

Seisulaine suhe

Seisulained on pinge ja voolu jaotuse mustrid piki ülekandeliini. Kui liini iseloomulik impedants (Zo) ühtib generaatori (saatja) väljundtakistusega ja antenni koormusega, on liini pinge ja vool konstantsed. Kui impedants on sobitatud, toimub maksimaalne võimsuse ülekanne.

Kui antenni koormus ei ühti lineaartakistusega, ei neela koormus kogu edastatavat võimsust. Antenni poolt mitte neelduv võimsus peegeldub liinil tagasi, häirides edasisuunas signaali ning tekitades liinil voolu ja pinge kõikumisi. Need variatsioonid on seisulained.

Selle lahknevuse mõõt on seisva laine suhe (SWR). SWR-i väljendatakse tavaliselt edasi- ja tagurpidivoolu või pinge väärtuste maksimaalsete ja minimaalsete väärtuste suhtena piki liini:

SWR = I max /I min = V max /V min

Veel üks lihtsam viis SWR-i väljendamiseks on ülekandeliini iseloomuliku impedantsi (Zo) ja antenni impedantsi (R) suhe:

SWR = Z o/R või R/Z o

sõltuvalt sellest, kumb takistus on suurem.

Ideaalne SWR on 1: 1. SWR 2 kuni 1 näitab peegeldunud võimsust 10%, mis tähendab, et 90% edastatavast võimsusest jõuab antenni. SWR-i 2:1 peetakse üldiselt maksimaalseks lubatavaks süsteemi kõige tõhusamaks toimimiseks.

A. B. Rõbakov,
, Sõjaväe kosmosekadettide korpus, Peterburi

Dipool väljas ja dipoolväljas

Elektrostaatika põhiküsimused: Millise välja selline laengute jaotus tekitab ja milline jõud nendele laengutele välisväljas mõjub? Mis puudutab punktimaksu, siis need küsimused lahendatakse tuntud koolivalemitega. Järgmine oluline ja lihtne elektrostaatika objekt on loomulikult dipool. Dipool on kaks vastandlikku, võrdse suurusega punktlaengut, mis asuvad kindlal kaugusel lüksteiselt. Dipooli iseloomustab dipoolmoment p = qL (1)
Kus l – vektor, mis on suunatud negatiivselt laengult positiivsele.
Huvi dipooli vastu on seotud eelkõige sellega, et paljude ainete molekulidel on dipoolmoment ning lisaks omandavad kõikide ainete molekulid välises elektriväljas dipoolmomendi. Ja välisväljas olevad makroskoopilised kehad (nii juhtiv kui ka mittejuhtiv vool) on polariseeritud, st. omandada dipoolmoment. Siin esitatud tulemuste olulisemad rakendused on dielektrikute valdkondades.
Esitagem esitatud teema kõige ilmsemad küsimused ja proovige neid lahendada. Me ei vaja spetsiaalset matemaatikat väljaspool koolikursuse ulatust.
Funktsiooni Ф(х) tuletist tähistatakse dФ/dх. Mõnede tulemuste kirjutamise mugavuse huvides kasutame vektorite skalaarkorrutist.
Tuletame teile seda meelde a b= a · b · cos α, kus α on vektorite vaheline nurk. Mõõtmekonstanti tähistame Coulombi seaduses

Dipool väljal (lihtsad probleemid)
1 . Millised jõud mõjutavad dipooli ühtlases elektriväljas?
Las dipool lk on pingeväljas E, las dipoolmomendi vektor moodustab väljatugevuse vektoriga nurga α. On hästi näha, et dipoolile mõjub sel juhul jõupaar hetkega
M = qElsin α = pEsin α, mis kipub suunama dipooli piki väljajooni. Seega, kui dipool saab pöörata, orienteerub see näidatud viisil. Pange tähele, et dipoolil on ka teine ​​tasakaaluasend, kui see on vastupidiselt orienteeritud, kuid see asend on ebastabiilne.
2. Kui suur on dipooli energia ühtlases väljas?
Nagu ikka, tuleb probleemide puhul, kus me räägime potentsiaalsest energiast, esmalt kokku leppida, kust me seda energiat mõõdame. Loendame seda ülaltoodud tasakaaluasendist. Siis on energia töö, mida väljajõud teevad, kui dipool pöörleb ümber oma keskpunkti algsest asendist, mida iseloomustab nurk α (vt joonist lõike 1 juurde), tasakaaluseisundisse. Tuletage meelde, et töö on seotud ainult laengu liikumisega suunas E. Sellise pöörlemisega dipooli laengud nihkuvad piki väljajooni (erinevates suundades) l (1– cos α)/2 võrra. Seetõttu on soovitud energiaks W = qEl (1 – cos α) = pE (1 – cos α).
Kuid sagedamini eelistavad nad elektriõpikutes selles ülesandes eeldada, et W = 0 dipooli asendis, kui vektor lk risti E. Sel juhul
W = –qEl  cos α = –pE.
Lõike 1 lõpus tehtud väidet saab nüüd sõnastada teisiti: dipool kipub nüüd hõivama minimaalse energiaga positsiooni. Seega kipuvad dielektriku dipoolmolekulid välisväljas olema kõik näidatud viisil orienteeritud (ja soojusliikumine takistab neil seda teha).
3. Nüüd olgu piki väljajooni orienteeritud dipool ebaühtlases väljas. Siis, nagu on hästi näha, mõjub sellele piki väljajooni jõud, mis on suunatud väljatugevuse suurendamise suunas:
(indeksid “+” ja “–” tähistavad dipooli laengut, kuhu vastav füüsikaline suurus kuulub). Just see jõud seletab lihtsaimat katset, mille käigus laetud keha (olenemata laengu märgist) tõmbab enda poole väikseid paberitükke.

Dipoolväli
4 . Enne kui hakkame dipoolvälja arvutama, vaatame mõnda üldist punkti. Olgu meid näiteks huvitanud mõne ebakorrapärase kujuga asteroidi gravitatsiooniväli. Asteroidi vahetus läheduses oleva välja saab kätte vaid arvutiarvutuse teel. Kuid mida kaugemale me asteroidist eemaldume, seda täpsemalt saame seda käsitleda kui materiaalset punkti (mille välja me teame). Suurema matemaatilise ranguse poole püüdlemisel tuli öelda, et me teame välja asümptootilist käitumist
Sarnase olukorra kohtame elektrostaatilises väljas. Elektrostaatiline väli on oma omadustelt väga sarnane gravitatsiooniväljaga (kuna põhiseadused on sarnased: Coulombi seadus ja universaalse gravitatsiooni seadus), kuid nii-öelda "rikkam" kui see. Elektrilaenguid võib ju olla kahte tüüpi, nende vahel on võimalik nii külgetõmbe kui ka tõrjumine ning “gravitatsioonilaengute” (s.o masside) vahel on võimalik ainult külgetõmme.
Eeldame, et positiivsed ja negatiivsed punktlaengud q 1 , q 2 , … , q n on jaotatud mingil piiratud alal. Süsteemi täielik tasumine
(2)
Me juba mõistame, et Q ≠ 0 korral muundub väli laias r-is punktlaengu Q väljaks. Kuid meie jaoks tekib väga oluline küsimus: milline on väli suurtel vahemaadel, kui kogulaeng
Q = 0? Punktlaengute lihtsaim jaotus Q = 0 on dipool. Seetõttu sisaldab dipoolvälja uurimine olulisi põhipunkte.
Nii et meid huvitavad peamiselt sellised olukorrad, kus kõik iseloomulikud mõõtmed r on dipoollaengute vahelise kaugusega l võrreldes väga suured. Seda olukorda saab kirjeldada kahel viisil. Esiteks võime alati meeles pidada, et laengud asuvad üksteisest lõplikul kaugusel l, ja olla huvitatud saadud lahendite käitumisest, Aga me võime lihtsalt rääkida punktdipoolist, millel on teatud dipoolmoment p, siis kõik meie tulemused kehtivad mis tahes r > 0 korral (need kaks seisukohta on loomulikult samaväärsed).
Kasutame punktlaengute väljade jaoks kõigile teadaolevaid valemeid ja saadud avaldistes arvestame, et l on väike. Seetõttu tuletagem meelde ligikaudsete arvutuste valemid: kui , siis
Arvutustes näitab igal pool märk “≈”, et kasutasime neid valemeid väikese parameetri puhul (väike parameeter vaadeldavates ülesannetes on l/r).
5 . Kvaliteetne pilt dipoolvälja jõujoontest on hästi teada ja antud paljudes õpikutes ning seda me siin ei esita. Kuigi välja arvutamine suvalises punktis pole keeruline, piirdume siiski potentsiaali ja intensiivsuse arvutamisega kahes valitud suunas. Joondame koordinaatsüsteemi alguspunkti dipooli keskpunktiga ja suuname x-telje mööda vektorit lk , ja Y-telg on risti (sel juhul eraldatakse dipoollaenguid lähtepunktist vahemaa ). Eeldame, et see asub lõpmatult kaugel
6. Arvutage dipoolvälja tugevus Y-teljel.
Superpositsiooni põhimõtte kohaselt E = E + + E –, Kus E+ Ja E –– üksikute laengute väljatugevuse vektorid. Kolmnurkade sarnasusest:
mida saab kirjutada kui
Nüüd räägime potentsiaali kulgemisest piki Y-telge Kuna Y-telje mis tahes punktis on vektor E on teljega risti, siis kui mingi laeng liigub mööda seda telge, siis dipoolväli ei tee tööd ja seega selle telje üheski punktis
7. Arvutame välja potentsiaali j suvalises punktis x-teljel. Superpositsiooni põhimõtte kohaselt võrdub see positiivsete ja negatiivsete laengute tekitatud potentsiaalide summaga.
Olgu x > 0, siis:
(3)
((x) avaldis x jaoks< 0 будет c другим знаком).
Ülesande sümmeetriast on selge, et x-teljel on väljatugevuse vektor E sisaldab ainult E x komponenti. Seda saab arvutada väljatugevuse ja potentsiaali ühendava üldtuntud valemi alusel:
(4)
kuid koolikursustel valemit (4) tavaliselt ignoreeritakse, nii et arvutame Ex otse: või

Seega dipoolist piki x-telge või piki y-telge eemaldudes väli väheneb r –3. Saab tõestada, et väli käitub igas suunas ühtemoodi.
Esitame potentsiaali avaldise suvalises punktis ilma tuletamiseta: (st kustutamisel

Igas suunas peale Y-telje potentsiaal väheneb kui r –2). Veenduge, et erijuhtudel viib see valem meile juba teadaolevate tulemusteni.
8. Taganemine. Tuletagem meelde, et lõpmatu ühtlase laenguga tasandi puhul ei sõltu väljatugevus kaugusest tasapinnast (või kui soovite, langeb välja nagu r 0). Punktlaengu korral väheneb see kui r –2. Dipooli puhul, nagu saime teada, väheneb see lõpmatuses kui r –3. Proovige ära arvata, millise laengujaotuse korral väljatugevus väheneb r -1; r –4.

Dipooli koostoime teiste laengutega
9. Nüüd vaatleme dipooli ja punktlaengu q′ vastastikmõju (olgu q′ > 0). Joonis kordab suures osas punktis 5 toodud joonist. Seal arvutasime välja dipoolvälja tugevuse ja seetõttu teame juba, milline jõud punktlaengule mõjub. Pange tähele, et see interaktsioon annab meile kõige lihtsama näite mittekesksetest jõududest (pidage meeles, kus koolikursuses esinevad osakestevahelised mittekesksed jõud).
Kuid endiselt on küsimusi: milline jõud dipoolile mõjub? kus see on kinnitatud? Nendele küsimustele saate vastata kohe, kõhklemata. Nõutav jõud F peab Newtoni kolmanda seaduse kohaselt olema võrdne – F ′ ja seda tuleb rakendada F ′-ga samal sirgel. Võib-olla üllatab kedagi, et dipooli laengutele +q ja –q mõjuva kahe jõu resultant osutus rakendatuks kusagil dipoolist eemal. Mida see tähendab? Ei tähenda midagi. Mida tähendab, et sõõrikule mõjuvate gravitatsioonijõudude resultant rakendatakse augu keskele? Kahe jõu resultant ei oma erilist tähendust, see lihtsalt asendab mehaanika põhivõrrandites igas mõttes mitu (või isegi lugematut arvu) jõudu. (Objektiivsuse huvides märgime, et on väga tuntud autoreid, kelle jaoks selline seisukoht on vastuvõetamatu. Nad eelistavad öelda, et punktlaengu küljelt lähtuvale dipoolile mõjub jõud, mis on rakendatud laengule. dipool ise ja ka jõumomendiga).
10 . Leidke kahe dipooli vastastikmõju jõud ja energia, mille vektorid p 1 ja p 2 asuvad samal sirgel. Dipoolide vaheline kaugus x.
Arvutame teise dipooli laengute koguenergia esimese väljas (vt lõik 7):

On selge, et vastaspoolustega dipoolid (nagu joonisel) tõmbuvad (see vastab märgile W avaldises); kui üks dipoolidest ümber pöörab, muutub energia märki.
Me ei reprodutseeri enam üsna monotoonseid arvutusi ja kirjutame kohe välja nende dipoolide interaktsioonijõu suuruse avaldise (kontrollige seda!):
11. Leia kahe dipooli vastastikmõju energia, mille puhul p 1 asub dipoole ühendaval sirgel ja p 2 on sellega risti. Dipoolide vaheline kaugus x. (Kontrollige ennast – vastus on ilmne.)
12 . Leia interaktsioonienergia kahel dipoolil, mille vektorid p 1 ja p 2 on üksteisega paralleelsed ja mõlemad on risti x-teljega, millel dipoolid asuvad.

lisamärkmed
13. Seega annab dipool meile lihtsaima näite laengute süsteemist, mille kogulaeng on Q = 0. Nagu nägime, väheneb dipooli väljapotentsiaal temast suurel kaugusel kui r –2. Kas seda tulemust on võimalik üldistada üldisemale juhtumile?
Dipoolmomendi mõistet saab üldistada nii, et see iseloomustab mis tahes laengujaotust. Eelkõige määratakse n-punktilise laengu süsteemi puhul dipoolmoment järgmiselt:
. (5)

On lihtne näha, et see kogus on lisand. Saab tõestada, et P juures Q = 0 ei sõltu lähtekoha valikust. Veenduge, et see valem muutuks konkreetsel juhul (1).
Arvutage mitme lihtsa laengujaotuse dipoolmoment P (kõigil juhtudel lähimate laengute vaheline kaugus l).
Võiks rääkida ka pidevatest laengujaotusest, kuid siis tuleks (2) ja (5) summade asemel kirjutada integraalid üle ruumala.
Ülaltoodud tulemused näitavad meile, milline on dipoolmomendi tähtsus. Ja tõepoolest, üldjuhul saame tõestada, et mida kaugemale me liigume suvalisest laengute süsteemist, mille kogulaeng on Q = 0 ja dipoolmoment P ≠ 0, seda lähemal on selle väli elementaarväljale. dipool meie poolt arvestatava dipoolmomendiga P.
Seda teed mööda võiks minna kaugemale ja vaadelda laengute süsteemi, mille Q = 0 ja P = 0, välja. Sellise süsteemi üks lihtsamaid näiteid on näidatud joonisel fig. a on nn kvadrupool. Kvadrupoolvälja potentsiaal väheneb lõpmatuses kui r –3.
Sarja “punktlaeng – dipool – kvadrupool...” võib jätkata. Selliste objektide üldnimetus on mitmepooluseline. Aga me lõpetame sellega.

14. Kui aatom asetatakse elektrivälja, siis tuumale ja elektronkihile mõjuvad jõud on suunatud eri suundades. Nende jõudude mõjul omandab aatom dipoolmomendi R, mis langeb kokku välise väljatugevuse suunaga E 0 .
Muidugi omandavad molekulid dipoolmomendi ka välisväljas (aga nende jaoks üldiselt eelnev väide vektori suuna kohta R ).
Kuid paljudel molekulidel on dipoolmomendid isegi välise välja puudumisel. Veelgi enam, need sisemised dipoolmomendid ületavad tavaliselt indutseeritud momente (kui räägime tavalistest laboris saavutatavatest väljadest). Paljude looduses toimuvate protsesside jaoks (eriti elu olemasolu jaoks) on äärmiselt oluline, et veemolekulil oleks dipoolmoment.
„Raske on ette kujutada, milline oleks maailm, kui H 2 O molekulis paikneksid aatomid sirgjooneliselt, nagu CO 2 molekulis; ilmselt poleks kedagi, kes seda jälgiks” (E. Parcell. Elekter ja magnetism. - M., 1975).

Vastused
Lõike 8 juurde. Laengute süsteem, milles väljatugevus väheneb lõpmatuseni, kuna r –1 on lõpmatu ühtlaselt laetud niit.
Lõike 11 juurde. Kui esimene dipool liigub piki x-telge, mõjuvad selle laengud teisest dipoolist lähtuvad jõud, mis on risti selle teljega, s.t. sel juhul tööd ei tehta, mis tähendab, et W = 0.
Lõike 12 juurde. Arvutamise lihtsustamiseks peame edukalt valima meetodi ühe dipooli viimiseks lõpmatusest meid huvitavasse olekusse. Seda on mugav kõigepealt liigutada piki x-telge, suunates selle dipoolmomendi vektorit piki telge (sel juhul on dipooli vastasmõju jõudude töö null), ja seejärel pöörata seda 90°. Teise dipooli pööramisel peavad välised jõud tööd tegema (vt lõik 2). See on dipoolide vahelise interaktsiooni energia.
Lõike 13 juurde. Dipoolmomendid on võrdsed: a) 0; b) 2qlj ;
c) 0; d) –3qli (siin i ja j on ühikvektorid vastavalt X- ja Y-telje suunas).

"D" seeria silmusvibraatorid (Telewave'i lähim välismaise analoog ANT150D) on valmistatud lahtivõetud kujul kolmest osast - silmusvibraatorist endast (1), traaversist (2) ja kinnitussõlmest (3) (vt joonist ).

Silmusvibraator on valmistatud paksuseinalisest alumiiniumtorust ja selle pikkus on umbes ?/2. Traaversi kinnituspunkt (4) keevitatakse argoon-kaarkeevitusega, mis tagab usaldusväärse elektrikontakti voolu antisõlmes. 50-oomise kaabli sobitamiseks kasutatakse 1/4-lainelist trafot, tänu dipooli sees olevale toiteliinile on antenn tasakaalustatud.

Kõik kontaktid on joodetud ja kruviühendused üle värvitud. Kogu toiteplokk on tihendatud: jäikuse suurendamiseks kasutatakse PVC-toru ja tihendamiseks koos molekulaarliim-hermeetikuga (5) termokahanevat toru. Kogu antenn on kaitstud agressiivse keskkonna eest polümeerkattega. Antenni traavers - 35 mm läbimõõduga toru reguleeritakse hoolikalt dipooli külge, et hõlbustada antenni paigaldamist. Masti kinnituskoht on valatud silumiiniumist. Täiendav töötlemine tagab ka usaldusväärse dokkimise traaversiga ja hõlpsa kinnitamise 38-65 mm läbimõõduga masti külge iga nurga all. Antennil on õige faasimise jaoks märgistus (6) ning vibraatori põhjas on äravooluava (7).

Antenn kasutab kodukaablit (8) RK 50-7-11 väikeste kadudega (0,09 dB/m sagedusel 150 MHz). Antennid on varustatud N-tüüpi pistikutega (9), mis on hoolikalt joodetud ja pitseeritud.

Mugav papppakend võimaldab antenni transportida mis tahes transpordivahendiga.

"DP" seeria silmusdipoolidel on mõned disainierinevused "D" seeria dipoolidest.

Esiteks on sellel antennil mitteeraldatav disain - dipool ise (10) on keevitatud lühikese ristõla külge (11). Dipooli toiteallikas on asümmeetriline, mis aga ei halvenda selle omadusi sugugi. Tulenevalt helkurmasti lähedasest asukohast on riba mõnevõrra kitsam ja ulatub 150-170 MHz-ni ning kiirgustase tagasi on 10 dB madalam. Kuid põhisuunas on võimendus 3 dBd.

Teiseks on kinnitus mastile tehtud kergete tsingitud terasest klambritega (12) ja võimaldab kinnitada antenni 25-60 mm läbimõõduga masti (13) külge. Muus osas ei erine “DP” seeria antennid tootmistehnoloogia poolest “D” seeria dipoolidest.

Seeria "DH" dipoolid on kõige odavamad antennid. Need on isetegemise komplekt, kus saate meie juhiste järgi mõne minuti jooksul kokku panna klassikalise lineaarse maandusega vibraatori koos gamma sobitamisega. Komplekti kuulub emitter ise - 12 mm läbimõõduga tihvt (14), kinnitusavaga traavers (15) ja liitmikuga keevitatud kronstein (16).

Gamma sobitaja osad võimaldavad teil dipooli peaaegu ideaalselt reguleerida igal teie valitud sagedusel (tavalise reflektomeetri abil).

Iga dipool on varustatud üksikasjalike juhistega seadistamiseks ja vibraatori pikkuste graafikutega.

Meistri käes muutub see komplekt tõeliseks ühendatud ja ülitõhusaks antennisüsteemiks!

Kõva dipooli potentsiaalne energia

Vaatleme nn jäika dipooli – see on dipool, milles laengute vaheline kaugus ei muutu ($l=const$). Teeme kindlaks, milline on dipooli potentsiaalne energia välises elektrostaatilises väljas. Kui laengu $q$, mis asub potentsiaaliga $\varphi $ väljapunktis, potentsiaalne energia on võrdne:

siis dipooli energia on võrdne:

kus $(\varphi )_+;(\varphi )_-$ on välisvälja potentsiaalid punktides, kus paiknevad laengud $q$ ja $-q$. Elektrostaatilise välja potentsiaal väheneb lineaarselt, kui väli on väljatugevuse vektori suunas ühtlane. Suuname X-telje piki välja (joon. 1). Siis saame:

Jooniselt fig. 1 näeme, et potentsiaali muutus $(\varphi )_+ kuni\ (\varphi )_-$ toimub segmendil $\triangle x=lcos \vartheta$, seega:

Elektriline dipoolmoment

Asendame (4) väärtusega (2), saame:

kus $\overrightarrow(p)$=$q\overrightarrow(l)$ on dipooli elektrimoment. Võrrand (6) ei võta arvesse dipoollaengute interaktsioonienergiat. Valem (6) saadi tingimusel, et väli on homogeenne, kuid see kehtib ka mittehomogeense välja puhul.

Näide 1

Ülesanne: Vaatleme dipooli, mis asub X-telje suhtes sümmeetrilises ebaühtlases väljas Selgita, kuidas dipool sellises väljas käitub talle mõjuvate jõudude seisukohalt.

Olgu dipooli keskpunkt X-teljel (joonis 2). Dipoolharu ja X-telje vaheline nurk on võrdne $\vartheta \ne \frac(\pi )(2)$. Meie puhul on jõud $F_1\ne F_2$.Dipoolile mõjub pöörlemismoment ja

jõud, mis kipub dipooli piki X-telge nihutama. Selle jõu mooduli leidmiseks kasutame valemeid:

Vastavalt dipooli potentsiaalse energia võrrandile on meil:

eeldame, et $\vartheta=const$

X-telje punktide jaoks on meil:

\ \

$\vartheta 0$ juures tähendab see, et dipool on tõmmatud tugevama välja piirkonda. $\vartheta >\frac(\pi )(2)$ $F_x jaoks

Pange tähele, et kui $-\frac(\partial W)(\partial x)=F_x$, annab potentsiaalse energia tuletis jõu projektsiooni vastavale teljele, siis tuletis $-\frac(\partial W) (\partial \vartheta) =M_\vartheta$ annab pöördemomendi projektsiooni $?$ teljele:

\[-\frac(\partial W)(\partial \vartheta)=M_\vartheta=-pEsin \vartheta (1.4.)\]

Valemis (1.4) tähendab miinusmärk seda, et moment kipub vähendama nurka dipooli elektrimomendi ja väljatugevuse vektori vahel. Elektriväljas olev dipool kipub pöörlema ​​nii, et dipooli elektrimoment on väljaga paralleelne ($\overrightarrow(p)\uparrow \uparrow \overrightarrow(E)$). $\overrightarrow(p)\uparrow \downarrow \overrightarrow(E)$ juures on pöördemoment samuti null, kuid selline tasakaal ei ole stabiilne.

Näide 2

Ülesanne: Kaks dipooli asuvad üksteisest $r$ kaugusel. Nende teljed asuvad samal sirgel. Elektrimomendid on vastavalt võrdsed: $p_1$ ja $p_2$. Arvutage iga dipooli potentsiaalne energia, mis vastab stabiilsele tasakaaluasendile.

Süsteem on tasakaalus, kui dipoolid on orienteeritud, nagu on näidatud joonisel fig. 3, piki välja, laengud üksteisele vastasmärgiga.

Eeldame, et väli loob dipooli momendiga $p_1$; otsime dipooli potentsiaalset energiat, mille elektrimoment $p_2$ on välja punktis (A), mis asub kaugusel r esimesest dipoolist. Oletame, et dipooli harud on dipoolide vahelise kaugusega ($l\ll r$) võrreldes väikesed. Dipoolid võib võtta punktidena (seetõttu eeldame, et dipool momendiga $p_2\ asub\ punktis\ A$). Väljatugevus, mis loob dipooli oma teljel punktis A, on absoluutväärtuses võrdne ($\varepsilon =1$):

Momendiga $p_2$ dipooli potentsiaalset energiat punktis A saab väljendada valemiga:

kus võtsime arvesse, et dipooli pinge- ja elektrimomendi vektorid on stabiilses tasakaaluseisundis koos suunatud. Sel juhul on teise dipooli potentsiaalne energia võrdne:

Vastus: Dipoolide potentsiaalsed energiad on väärtuselt võrdsed $W=-p_2\frac(p_1)(2\pi (\varepsilon )_0r^3)$.

Vaatleme nüüd saadud välja, mis tekib kahe ostsillaatori samaaegsel toimel. Eelmises peatükis käsitleti juba mitmeid lihtsamaid juhtumeid. Esmalt anname nähtusest kvalitatiivse pildi ja seejärel kirjeldame samu mõjusid kvantitatiivsest vaatepunktist. Võtame lihtsaima juhtumi, kui ostsillaatorid ja detektor asuvad samal horisontaaltasapinnal ning ostsillaatorid võnguvad vertikaalsuunas.

Joonisel fig. 29.5a on mõlema ostsillaatori pealtvaade; sel juhul on nende vaheline kaugus põhja-lõuna suunas võrdne poole lainepikkusega ja nad võnguvad samas faasis, st. ostsillaatorite faaside vahe on null. Meid huvitab eri suundade kiirguse intensiivsus. Intensiivsuse all peame silmas energiahulka, mis meist 1 sekundi jooksul möödub; see on võrdeline ajas keskmistatud väljatugevuse ruuduga. Seega tuleb valguse heleduse määramiseks võtta elektrivälja intensiivsuse ruut, mitte intensiivsus ise. (Elektrivälja tugevust iseloomustab jõud, millega väli toimib statsionaarsele laengule ning teatud ala läbiv energia hulk on võrdeline väljatugevuse ruuduga ja mõõdetakse vattides ruutmeetri kohta. Proportsionaalsus koefitsient tuletatakse järgmises peatükis.) Kui asume ostsillaatorite süsteemist lääne pool ja saame mõlemalt ostsillaatorilt sama suuruse ja sama faasiga väljad, nii et kogu elektriväli on kaks korda suurem suur kui üksiku ostsillaatori väli. Järelikult on intensiivsus neli korda suurem kui ainult ühe ostsillaatori toimel tekkiv intensiivsus. (Joonisel 29.5 olevad numbrid näitavad intensiivsust ja mõõtühik on ühe alguspunkti paigutatud ostsillaatori kiirguse intensiivsus.) Nüüd mõõdetakse välja põhja või lõuna suunas, mööda ostsillaatorite joont. Kuna ostsillaatorite vaheline kaugus on võrdne poole lainepikkusega, erinevad nende kiirgusväljad faasis täpselt poole tsükli võrra ja seetõttu on koguväli null. Vahenurga (võrdne ) korral on intensiivsus 2, s.t. väheneb, intensiivsus omandab järjestikku väärtused 4, 2, O jne. Peame õppima, kuidas erinevate nurkade jaoks intensiivsust leida. Põhimõtteliselt taandub see kahe erineva faasiga võnke lisamise probleemile.

Joonis 29.5. Kahe poole lainepikkuse kaugusel asuva dipooli kiirgusintensiivsuse sõltuvus kiirguse suunast.

a - faasis olevad dipoolid (); b - dipoolid antifaasis.

Vaatame kiirelt veel paar huvitavat juhtumit. Olgu ostsillaatorite vaheline kaugus, nagu varemgi, võrdne poole lainepikkusega, kuid ühe ostsillaatori võnked jäävad faasis teise võnkumisest poole perioodi võrra maha (vt joon. 29.5, b). Intensiivsus horisontaalsuunas (lääne või ida) läheb nulli, kuna üks ostsillaator “tõukab” ühes suunas ja teine ​​vastupidises suunas. Põhja suunas saabub lähima ostsillaatori signaal pool tsüklit varem kui kaugema ostsillaatori signaal. Kuid viimane hilineb oma võnkumistes vaid poole perioodi võrra, nii et mõlemad signaalid saabuvad samaaegselt ja intensiivsus põhjasuunas on 4. Intensiivsus 30° nurga all, nagu hiljem näidatakse, on jällegi võrdne 2.

Nüüd jõuame ühe huvitava kinnisvarani, mis on praktikas väga kasulik. Pange tähele, et raadiolainete edastamisel kasutatakse ostsillaatorite vahelisi faasisuhteid. Oletame, et tahame saata raadiosignaali Hawaii saartele. Selleks kasutame antennisüsteemi, mis asub joonisel fig. 29.5, a ja seadke nende vahel nullfaaside erinevus. Siis läheb maksimaalne intensiivsus just õiges suunas, kuna Hawaii saared asuvad Ameerika Ühendriikidest läänes. Järgmisel päeval otsustame edastada signaale Kanadasse. Ja kuna Kanada asub põhjas, peame muutma ainult ühe antenni märgi, et antennid oleksid antifaasis, nagu joonisel fig. 29.5, b ja ülekanne läheb põhja. Saate välja mõelda erinevaid antennisüsteemi seadmeid. Meie meetod on üks lihtsamaid; saame süsteemi oluliselt keerulisemaks muuta ja soovitud faasisuhteid valides saata maksimaalse intensiivsusega kiire vajalikus suunas, isegi mitte ühtegi antenni liigutamata! Mõlemas raadiosaates kulutasime aga palju energiat, see läks täpselt vastupidises suunas; huvitav teada, kas on võimalik signaale saata ainult ühes suunas? Esmapilgul tundub, et seda tüüpi antennipaar kiirgab alati sümmeetriliselt. Tegelikkuses on pilt palju mitmekesisem; Vaatleme näiteks kahe antenni asümmeetrilise kiirguse juhtumit.

Joonis 29.6. Kaks dipoolantenni annavad maksimaalse kiirguse

Olgu antennide vaheline kaugus võrdne veerandiga lainepikkusest ja põhjaantenn jääb lõunapoolsest faasis maha veerandi perioodist. Mida me siis saame (joonis 29.6)? Nagu hiljem näitame, on läänesuunal intensiivsus võrdne 2-ga. Lõuna suunal jääb tulemuseks null, kuna põhjaallika signaal saabub 90° hiljem kui lõunapoolsest allikast ja lisaks see jääb faasist maha veel 80°; selle tulemusena on faaside koguvahe 180° ja koguefekt null. Põhjasuunas saabub signaal allikast 90° varem kui signaal, kuna allikas on veerandlaine võrra lähemal. Kuid faaside erinevus on 90° ja kompenseerib viivituse, nii et mõlemad signaalid saabuvad sama faasiga, andes intensiivsusele 4.

Seega, näidates üles mõningast leidlikkust antennide asukohas ja valides soovitud faasinihked, on võimalik kiirgusenergiat ühes suunas suunata. Tõsi, energiat väljastatakse ikkagi üsna suure nurga all. Kas kiirgust on võimalik fokuseerida kitsamasse nurgavahemikku? Vaatame uuesti lainete ülekandumist Hawaii saartele; seal läksid raadiolained läände ja itta laia nurga all ning isegi 30° nurga all oli intensiivsus vaid pool maksimumist, energiat kulus raisku.

Kas seda olukorda saab parandada? Vaatleme juhust, kui allikate vaheline kaugus on võrdne kümne lainepikkusega (joonis 29.7) ja võnkumiste faaside erinevus on null. See on lähemal varem kirjeldatud olukorrale, kus katsetasime mitme lainepikkusega võrdsete intervallidega, mitte lainepikkuse väikeste osadega. Siin on teistsugune pilt.

Joonis 29.7. Kahe dipooli intensiivsuse jaotus. Asuvad üksteisest kaugel

Kui allikate vaheline kaugus on võrdne kümne lainepikkusega (valime lihtsama juhtumi, kui need on faasis), siis lääne- ja idasuunas on intensiivsus maksimaalne ja võrdne 4-ga. Kui liigume väikese nurga võrra, siis faas erinevus võrdub 180° ja intensiivsus pööratakse nulliks. Täpsemalt: kui tõmbame igast ostsillaatorist sirgjooned vaatluspunkti ja arvutame ostsillaatorite kauguste erinevuse ja see osutub võrdseks, siis on mõlemad signaalid antifaasis ja koguefekt on võrdne nulliga. Esimene null joonisel vastab sellele suunale. 29,7 (joonis ei ole mõõtkavas; see on sisuliselt ligikaudne diagramm). See tähendab, et saame soovitud suunas kitsa kiire; kui liigume veidi kõrvale, siis intensiivsus kaob. Praktilistel eesmärkidel on sellistel edastussüsteemidel kahjuks märkimisväärne puudus: teatud nurga all võib kaugus muutuda võrdseks ja siis on mõlemad signaalid jälle faasis! Tulemuseks on pilt vahelduvate maksimumide ja miinimumidega, täpselt nagu peatükis. 28, kui ostsillaatorite vaheline kaugus on võrdne .

Kuidas vabaneda kõigist liigsetest maksimumidest? Soovimatute tõusude kõrvaldamiseks on üsna huvitav viis. Asetame terve rea teisi oma kahe antenni vahele (joonis 29.8). Olgu äärmuslike kaugus ikkagi võrdne ja iga peale paneme antenni ja häälestame kõik antennid samasse faasi. Meil on seega kokku kuus antenni ja intensiivsus lääne-ida suunal muidugi suureneb tunduvalt võrreldes ühe antenni intensiivsusega. Väljak suureneb kuus korda ja intensiivsus, mis on määratud väljaku ruudu järgi, kasvab kolmkümmend kuus korda. Lääne-ida suuna lähedale tekib nagu varemgi nullintensiivsusega suund ja edasi, kus eeldasime kõrget maksimumi näha, tekib vaid väike “küür”. Proovime välja mõelda, miks see juhtub.

Joonis. 29.8. Kuuest dipoolantennist koosnev seade ja osa selle kiirguse intensiivsuse jaotusest.

Näib, et maksimumi ilmnemise põhjus on endiselt olemas, kuna see võib olla võrdne lainepikkusega ning faasis olevad ostsillaatorid 1 ja 6 võimendavad vastastikku oma signaale. Kuid ostsillaatorid 3 ja 4 on ostsillaatoritega 1 ja 6 faasist väljas, erinedes nendest faasi poolest ligikaudu poole lainepikkuse võrra ja põhjustavad nende ostsillaatoritega võrreldes vastupidise efekti. Seetõttu osutub intensiivsus selles suunas väikeseks, kuigi mitte täpselt nulliga. Selle tulemusena ilmub soovitud suunas võimas kiir ja hulk väikeseid külgmaksimume. Kuid meie konkreetses näites on veel üks ebameeldivus: kuna naaberdipoolide vaheline kaugus on võrdne, on võimalik leida nurk, mille puhul naaberdipoolide kiirte teekonna erinevus on täpselt võrdne lainepikkusega. Naaberostsillaatorite signaalid erinevad 360°, st on jälle faasis ja selles suunas saame veel ühe võimsa raadiolainete kiire! Praktikas saab seda efekti kergesti vältida, kui ostsillaatorite vaheline kaugus on valitud väiksemaks kui üks lainepikkus. Täiendavate maksimumide ilmumine rohkem kui ühe lainepikkusega ostsillaatorite vahele on väga huvitav ja oluline, kuid mitte raadiolainete edastamiseks, vaid difraktsioonivõrede jaoks.