Circuitul oscilant deschis. Antene dipol. Tipuri de unde.

În cea de-a patra lecție despre oscilații și unde electromagnetice, vom discuta despre circuitul oscilant deschis, adică despre antene, și despre clasificarea undelor electromagnetice.

Orice fir conductor are o capacitate electrică C și o inductanță L mici, dar nenule. Capacitatea electrică a unui fir conductor usual sau obișnuit este de ordinul picofarazilor, adică 10 la minus 9 farazi, și a inductanței de ordinul microhenriului, adică 10 la minus 6 henri.

Dacă folosim ecuația pentru pulsația proprie a unui circuit oscilant, adică 1 supra radical din LC, care este egal cu 2pi înmulțit cu frecvența nu, rezultă că pentru aceste valori uzuale, tipice ale inductanței și capacității firelor conductoare,

obținem frecvențe ale câmpului electromagnetic generat de ordinul megaherților.

Antena radio-lui dumneavoastră are capacitatea de a obține frecvențe proprii ale câmpului de acest ordine mărime și, spre exemplu, o puteți acorda pentru a asculta radio România Actualități.

România Actualități are în București frecvența de 105 MHz.

În concluzie, aceste fire conductoare conectate la un circuit de curent alternativ vor genera câmpuri electromagnetice de înaltă frecvență, adică de ordinul megaherților, și devin antene dipol de emisie.

Spre exemplu, antena prin care se emite acest poz de radio.

Similar, dacă aceste fire conductoare sunt conectate într-un aparat ce prelucrează semnalele captate de ele, ele devin antene dipol de recepție.

Haideți să vedem cum anume funcționează un fir conductor conectat într-un circuit de curent alternativ o antenă de emisie.

Deci, avem un fir conductor de o anumită lungime, care la momentul T0="0", este conectat circuitul de curent alternativ, astfel încât capătul de jos pribește, în acest moment, sarcină pozitivă, sarcină electric pozitivă, iar capătul de sus, sarcină electrică negativă.

Atunci, în jurul lui, se creează un câmp electric, care are aceste linii de câmp, pe care le desenez eu acum, ce pleacă din capătul pozitiv către capătul negativ.

Sensul liniilor de câmp fiind de la plus către minus, deci câmpul electric E are acest sens.

Situația este descrisă de următorii parametri.

Intensitatea câmpului electric este maximă, iar tensiunea la acest moment T0="0", ceea ce înseamnă că energia electrică este maximă și energia magnetică din fir este 0.

La un moment ulterior, bineînțeles, situația se schimbă.

Spre exemplu, la momentul T0 plus un sfert de perioadă, situația devine următoare.

Avem același fir, dar prin el nu mai avem câmp electric, ci câmp magnetic.

După cum am discutat, într-un câmp electromagnetic, energia electrică și energia magnetică alternează între ele.

La un sfert de perioadă vom avea numai câmp magnetic.

Deci dacă considerăm un punct oarecare de-a lungul firului, vom vedea în jurul acestui punct, deci în jurul firului conductor, un câmp magnetic circular.

Deci acesta este câmpul magnetic B.

Situația este descrisă de parametrii cu valori opuse, adică curentul electric este 0 în acest moment și tensiunea este maximă.

Ceea ce implică că energia electrică este 0 și energia magnetică este maximă.

Bineînțeles și în celelalte puncte, în toate punctele, vom avea în jurul conductorului nostru linii de câmp magnetic, amplitudinea lor fiind maximă în centru și scăzând către capete.

Și așa mai departe, dacă ne mutăm în timp cu încă un sfert de perioadă, deci suntem la T0 plus TP2, obținem următoarea situație, deci firul nostru cu polarități inversate,

deci minus va fi la capătul de jos și plus la capătul de sus și vom avea linii de câmp electrice.

Cu sensurile opuse, deci E va avea acest sens.

Deci acesta este felul în care se generează câmpurile electrice și magnetice ca funcție de timp prin conductorul nostru.

În final să discutăm cum anume se propagă undele electromagnetice produce de aceste câmpuri.

Fiecare punct al liniei de câmp electric, pe exemplu în acest caz, devine sursă pentru un câmp magnetic, conform principiului Maxwell.

Deci dacă luăm un punct oarecare de pe o linie oarecare a câmpului electric, în jurul acestui punct vom găsi un câmp magnetic variabil în timp,

deci vom avea un câmp magnetic B generat în acest punct.

Acest lucru se întâmplă cu toate punctele, deci pe această linie de câmp electric E, toate punctele devin surse pentru curenți sau câmpuri, mai exact, câmpuri magnetice.

Și, după cum ne spune principiul Huygens, înfășurătoarea tuturor acestor câmpuri magnetice devine noul front al undei.

Deci, în felul acesta obținem un nou front al undei electrice, care la rândul ei devine o sursă pentru noi câmpuri magnetice și așa mai departe.

În felul acesta, unda electromagnetică se desprinde de sursă, adică de firul conductor care se comportă precum o antenă de emisie și se propagă în spațiu, în atmosferă, către un eventual receptor, o eventuală antenă de recepție.

Din nou, principiul prin care construim linile de câmp ce se generează alternativ, EBBE și așa mai departe, fiind principiul Huygens.

Haideți să stabilim acum relația dintre aceste valori maxime ale intensității curentului și tensiunii curentului.

Pornim de la principiul care l-am stabilit și anume că energia electromagnetică se conservă și alternează între o valoare dominată de o energie electrică și o valoare a ei dominată de o energie magnetică, precum am văzut în acest exemplu.

Deci energia electrică maximă va fi egală cu energia magnetică maximă, alternând de-a lungul propagării undei între cele două forme.

Scriind ecuațiile pentru cele două tipuri de energii, și anume energia electrică este 1 pe 2 inductanța mulțită cu curentul maxim la pătrat, egală cu energia magnetică, care este 1 pe 2 capacitatea mulțită cu tensiunea maximă la pătrat,

obținem că raportul dintre tensiunea maximă și intensitatea maximă este egal cu radical din raportul dintre inductanță și capacitate.

Haideți să discutăm despre aceste antene.

Unda electromagnetică dintr-o antenă este staționară, datorită reflexiei ei la capetele antenei și interferenței ce are loc de-a lungul antenei, dacă lungimea ei ea anumite valori, după cum am văzut și în cazul undelor magnetici.

Deci, dacă lungimea antenei este o multiplu de sfert de undă, ceea ce se întâmplă când un capăt al antenei este împământat, atunci avem o undă staționară.

Situația este descrisă în această imagine, în care firul nostru conductor este împământat, adică un capăt alu este legat la pământ și în felul acesta este forțat să aibă tensiune zero.

Aceasta implică un nod la capătul inferior al antenei pentru tensiunea reprezentată graficul culoare albastră.

Atunci, intensitatea care are oscilația opusă tensiunii va avea un ventru la capătul inferior și un nod la capătul superior.

Deci, în acest caz, dacă lungimea conductorului este o multiplu de lambda, de sfert de undă, de lambda pe 4, atunci unda produsă este staționară și are forma pe care o vedeți aici, pentru intensitate și curent.

Dacă nu avem o împământare a niciunui capăt a antenei, ambele capete sunt libere, atunci lungimea antenei trebuie să fie o multiplu de semiundă, pentru ca unda generată în conductor să fie în antenă, să fie staționară.

Această situație este echivalentă fixării corzilor prin care se propagă unde mecanice.

Deci, dacă vă aduceți aminte discuția pe care am avut-o în cadrul lecțiilor de unde mecanice, undele staționare se produceau în acele corzi sau tuburi dacă lungimea lor avea o anumită relație cu lungimea de undă în funcție de situația în care se aflau capetele corzilor sau tuburilor.

Dacă aceste capete erau fixate sau dacă erau libere.

Același lucru se poate aplica și în cazul câmpurilor electromagnetice, mai precis acelor din antene, prin împământare sau lăsarea lor libere.

Împământarea înseamnă fixarea tensiunii la un capăt.

Înserierea antenei cu un condensator îi scade lungimea efectivă în sensul că modifică această valoare a lungimii de undă, iar înserierea cu o bobină crește lungimea efectivă.

În felul acesta funcționează radio-ul dumneavoastră în momentul în care doriți să acordați antena lui unei anumite frecvențe sau un anumit post de radio.

Nu modificați efectiv lungimea antenei radio-ului dumneavoastră, ci cu un anumit buton care variază capacitatea unui condensator înseriat la antenă.

În mod efectiv, variați lungimea din punct de vedere al numărului de sferturi de undă sau jumătăți de undă.

În felul acesta, variați frecvența pentru care obțineți o undă staționar și acordați radio-ul dumneavoastră pe frecvența unui anumit post radio.

Haideți să discutăm despre clasificarea undelor electromagnetice, adică tipurile de unde electromagnetice care există în funcție de sursa de producere și de lungimea de undă.

Cel mai cunoscut tip este cel al undelor herțiene. Ele au o lungime de undă între un milimetru și un kilometru, deci un interval foarte mare de lungime de undă,

și sunt emise de oscilațiile electronelor în antenele de radiocomunicație, cele despre care am discutat în această lecție.

Sunt folosite în undele radio, TV și undele radar.

Radiațiile vizibile au o lungime de undă între 400 de nanometri și 700 de nanometri.

Ele sunt emise de atomii diferitelor substanțe, cele din bec, soare sau lămpi, la tranziția electronelor între nivele atomice,

după cum vom discuta în clasa a 12-a, deci emisia undelor electromagnetice de către atomi va fi discutată în clasa a 12-a.

Un mecanism și cel mai simplu mecanism de a produce această tranziție electronelor între nivele energetice ale atomilor sunt prin varierea temperaturii.

Foarte simplu, în becul dumneavoastră, în momentul în care curentul electric trece prin el, el se încălzește prin efect Joule, deci creștem temperatura filamentului

și prin creșterea temperaturii, electronii atomilor din filament încep să aibă aceste tranziții energetice, emițând radiații în acest spectru de lungime de undă.

Radiațiile infraroșii și ultraviolete au aceeași sursă, aceiași mecanism de generare ca și radiațiile vizibile,

dar o plajă sau un interval pentru lungimile de undă mult mai mare, deci ele pornesc de la nivelul superior al undelor hertziene,

deci la un milimetru și se apropie de radiațiile vizibile și de asemenea cele ultraviolete încep din partea superioară a radiațiilor vizibile și merg până la un micrometru.

Radiațiile X încep deja la lungim de undă foarte mici, deci între un nanometru și un picometru.

Sunt emise la frânarea fascicolor de electroni de mare energie în materiale.

De asemenea, radiațiile X vor fi discutate în clasa 12-a a fizică.

Ultimul tip de radiații, radiațiile cu cea mai mică lungime de undă sau, dacă vreți, echivalent cu cea mai mare frecvență, cea mai mare energie a radiației,

se numesc radiații gamma și sunt produse în procese nucleare.

În final, aplicațiile undelor electromagnetice și ale antenelor emise sau recepționate, care emit sau recepționează aceste unde electromagnetice, sunt extrem de numeroase.

Evident, antene radio și TV sau radar, după cum am vorbit.

De asemenea, telefoanele dumneavoastră mobile au antene care recepționează sau emit semnale prin care vă conectați la rețeaua de telefonie mobilă.

Cuptoarele cu microunde folosesc unde electromagnetice cu frecvența ajustată, frecvenție de vibrație apei.

Deci, pur și simplu, cuptoarele cu microunde încălzesc apa din volumul substanței din interior.

Telecomenzile, bineînțeles, folosesc și ele, unde electromagnetice.

Radiografiile și o întreagă serie de proceduri imagistice din medicină folosesc unde electromagnetice pentru a vedea structura organismelor sau organelor ce se doresc observate.