Как же она замыкается?

Автор: Владимир Тихонов /UR 4 III /

Все статьи на CQHAM.RU
Все статьи категории "Непроверенные идеи"

Причиной написания этой работы послужили полемики на антенных форумах CQHAM.RU и QRZ.RU по поводу запитки вибратора с конца. Это хорошо известные и давно работающие Йод-антенна и Цеппелин. Суть полемики сводилась к тому, что если цепь питания антенны не замкнута на генератор (выходной каскад, линию питания), то тока в полотне антенны нет, и она не может излучать электромагнитную энергию.

«Замыкателем» цепи питания гальванически разомкнутых антенн полагается ток смещения. В соответствии с этим пониманием процессов, происходящих в антенно-фидерной системе, четвертьволновая линия в Йод-антенне многими считается трансформатором и поэтому делается логичный вывод о нежелательности использования в качестве её коаксиального кабеля. Диполь, запитанный с конца, объявляется неработающим, а чтобы он заработал, нужен хотя бы небольшой противовес для сбора токов смещения, идущих от излучателя.

Желающие могут ознакомиться с полемикой и позициями участников по следующим ссылкам

http://forum.cqham.ru/viewtopic.php?t=3400&start=0
http://www.qsl.net/dl2kq/ant/kniga/411.htm
http://forum.qrz.ru/showthread.php?s=&threadid=6097&perpage=15&pagenumber=1
http://forum.qrz.ru/showthread.php?s=&threadid=6958&perpage=15&pagenumber=1

Чтобы согласиться или не согласиться с такими выводами, необходимо ответить на два вопроса.

1. Как токи смещения замыкают цепь питания антенны?

2. Возможно ли наличие тока в проводе, подключённом только к одной клемме генератора переменного тока?

Что такое ток смещения можно прочитать здесь

http://www.toehelp.ru/theory/fizika1/4_5.html
http://www.ccssu.crimea.ua/tnu/structure/physic_fac/departments/general/common_phys/all/maxwell.htm

Вот краткое пояснение его сути.

«Всякое изменение электрического поля вызывает появление вихревого магнитного поля, в том числе и вне проводника. Магнитное поле возникает вокруг тока, поэтому Максвелл назвал переменное электрическое поле током смещения (в отличие от тока проводимости)».

В классическом примере при последовательном включении источника переменного тока, лампочки и конденсатора при замыкании цепи лампочка горит. Далее привожу цитату из указанных источников, поясняющую суть этого явления.

«При включении ключа в цепи постоянного тока лампочка кратковременно загорится, т.к. при зарядке конденсатора протекает ток. В цепи переменного тока с частотой ν конденсатор перезаряжается 2ν раз, т.е. лампочка горит непрерывно.

Токи проводимости в проводниках заменяются токами смещения в диэлектрике конденсатора либо в вакууме: внутри конденсатора возникает переменное во времени электрическое поле, которое создает такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал ток проводимости, равный по силе току в проводах».

Таким образом, ток смещения – «виртуальный» ток и он не замыкает цепь нагрузки. Лампочка горит благодаря перезарядке конденсатора.

Не течёт переменный ток через конденсатор, а постоянный и подавно!

Направление тока смещения (Iс) в конденсаторе совпадает с направлением тока проводимости (Iп) – от + источника питания к + обкладке конденсатора (Iп), от + обкладки к – обкладке (Iс), от – обкладки к – источника питания (Iп). Возникает видимость замыкания цепи.

А как обстоит дело с током смещения в антенне?

Аналогом антенны является открытый колебательный контур – обкладки конденсатора разнесены в пространстве. Зарядно-разрядный ток – Iп «бегает» между обкладками конденсатора по полотну антенны. Если в какой-то момент времени он протекает от «плюса» к «минусу», то и Iс «протекает» тоже от + к - , т.е. вблизи полотна антенны он имеет то же направление, что и Iп. Т.е. здесь даже видимости замыкания цепи питания нет. Если бы было по другому, то Iс совместно с Iп образовывал бы замкнутый контур и магнитное поле, «создаваемое» им, было бы противофазно полю, созданному Iп.

Таким образом, колебательный процесс в антенне не нуждается в каком-то внешнем «замыкателе» цепи её питания и для его возникновения достаточно ОДНОГО провода, что практически подтверждается при индуктивном питании антенны (рефлектор, директор).

Формальный перенос классического примера с лампочкой и конденсатором на процессы, возникающие в антенно-фидерных цепях, происходит, видимо потому, что забывается, что в этом примере участвуют ещё и монтажные проводники. А при их длине, соизмеримой с длиной волны питающего генератора, в цепи нагрузки также возникает колебательный процесс.

Мои оппоненты утверждают, что отсутствие «замыкателя» цепи питания антенны приводит к нарушению законов электротехники и, если «замыкателя» не видно невооруженным глазом, то всё-таки где-то он есть. Просто уровень радиолюбительской подготовки не позволяет указать на него.

Посмотрим, что нарушается и нарушается ли?

Для этого построим эквивалентную схему питания диполя. Открытый колебательный контур в виде развёрнутых в пространстве обкладок конденсатора и катушки индуктивности не полностью соответствует истине, поскольку, если бы заряды собирались только на обкладках, то в случае разряда конденсатора ток имел бы примерно равную величину по всей длине антенны. Воспользуемся другим аналогом, приводимым в учебниках.

Возьмём полуволновой вибратор и разрежем его посредине. К половинкам вибратора подключим источник постоянного тока. Половинки зарядятся разно полярными зарядами. Каждый элементарный отрезок одной половины вибратора совместно с симметрично расположенным отрезком второй половины представляет собой элементарный конденсатор. Отключим половинки от источника и соединим друг с другом. Элементарные конденсаторы начнут разряжаться через полотно антенны. Возникнет ток, величина которого будет минимальна у концов вибратора и максимальна в центре.

Однако каждый элементарный отрезок вибратора одновременно является индуктивностью. Т.е. вибратор можно представить как последовательное соединение элементарных индуктивностей и параллельное соединение элементарных конденсаторов (рис.1).

Рис.1                Рис.2                         Рис.3

Ток разряда конденсаторов вызывает возникновение э.д.с. самоиндукции на элементарных индуктивностях. Суммарная э.д.с. будет максимальна на концах вибратора и минимальна в центре. Теперь мы получили модель, пригодную при построении эквивалентной схемы питания вибратора.

Для поддержания незатухающих колебаний разомкнём вибратор посредине и в место разъёма подключим генератор. Эквивалентная схема на рис.2. Генератор, индуктивность и ёмкость образуют последовательный колебательный контур. (Поскольку ищется элемент, замыкающий цепь питания, чтобы не усложнять схему, здесь и далее не учитывается активное сопротивление провода антенны и сопротивление излучения).

Если сместить место подключения генератора ближе к краю вибратора, то схема примет следующий вид (рис.3). Теперь часть элементарных емкостей замыкается на индуктивности, образуя параллельный колебательный контур. Разрядный ток этих емкостей уже не «проходит» через генератор. И чем ближе будет место включения генератора к концу антенны, тем меньший ток будет проходить через него. Антенна – это колебательная система «замкнутая» сама на себя. Поэтому идея «противовесика» для сбора токов смещения и направления их к генератору не соответствует действительности.

Однако, как видно из рисунка цепь нагрузки генератора «замкнута».

Сместим место подключения генератора на самый край, запитаем вибратор с конца. При этом он подключается только к одной клемме генератора, а вторая «висит» в воздухе. Эквивалентная схема на рис.4. Будет ли возбуждаться колебательный процесс в этом случае? Да. И вот почему.

Рис. 4

Уместно вспомнить один важный момент при анализе процессов в колебательном контуре. Это момент разряда конденсатора, когда спадающий ток вызывает э.д.с. самоиндукции, поддерживающий его. При нулевом токе в контуре э.д.с. максимальная. Она перезаряжает конденсатор, как бы перенося положительные заряды с ранее заряженной ими обкладки на другую обкладку и отрицательные заряды в противоположном направлении. Колебательный процесс в классическом примере начинался с заряда конденсатора от стороннего источника питания и последующего замыкания его на индуктивность. Тот же процесс начинается при включении генератора в цепь колебательного контура при не заряженном конденсаторе. Его функция - первоначально заменить э.д.с. самоиндукции, зарядить конденсатор и возбудить колебания. Далее он только восполняет потери в контуре. Место подключения генератора – посредине вибратора, с краю или ещё где-то в полотне антенны – не имеет значения. Где бы он ни был подключён, он первоначально выполняет функцию э.д.с. самоиндукции – заряжает конденсатор. Фактически мы имеем дело с одиночным проводом и на дальнем конце всегда будет пучность напряжения – одна обкладка конденсатора. Где будет вторая, зависит от длины провода и частоты генератора. В полуволновом вибраторе она будет на питающей клемме.

В приведенных примерах я не вижу нарушения каких-то законов электротехники.

Вариант запитки антенны с конца тождественно объясняется и на основе процессов, происходящих в линии питания. Она также как и антенна является системой с распределённой емкостью и индуктивностью. Если линия разомкнута на конце, то в её проводах образуются стоячие волны тока и напряжения. При определённых длинах в линии возникает резонансные явления. Если провода линии развести в пространстве, она из средства доставки энергии в антенну сама превращается в антенну. Если один из проводов линии удлинить или укоротить на половину длины питающей волны, получим Цеппелин. Если убрать оставшуюся часть линии и полуволновой вибратор подключить непосредственно к клемме генератора, он не перестанет быть антенной.

Разумеется, в этих примерах мы не касались согласования генератора и антенны. Оно элегантно решено в Йод-антенне. В четвертьволновом отрезке линии, замкнутом на конце, всегда можно найти место подключения генератора, в котором входное сопротивление линии равно выходному генератора. При этом теоретически всё равно подключена к линии антенна или нет.

Трудно увидеть в этом отрезке четвертьволновой трансформатор, поскольку гальванически ко «вторичной обмотке» антенна подключена одним концом. Полярность пучности напряжения на «неподключённом» конце линии имеет тот же знак, что и на дальнем конце антенны. Поэтому если бы ток смещения действительно мог бы замкнуть нагрузочную цепь, то он не смог бы протечь между одно полярными зарядами по определению.

Этот отрезок является согласующим устройством (СУ) между генератором и антенной. Поскольку он работает в режиме стоячей волны, покажем, на сколько увеличиваются токи и напряжения в нём.

Здесь уместно привести цитату, объясняющую механизм образования стоячей волны. Н.М.Изюмов. Курс радиотехники, 3-е изд. Военное из-во МО СССР, М., 1958 г.

Волны в разомкнутой и короткозамкнутой линии. Стр.96

//Рассмотрим процесс в линии ограниченной длины при режимах холостого хода и короткого замыкания. Первый из этих случаев представлен на рис.93 (концы линии изолированы друг от друга).

Предположим, что бегущая волна тока достигла изолированных концов провода и заряды дальше двигаться не могут. Ток должен прекратиться. Но убывание тока создаёт по правилу Ленца э.д.с., направленную попутно с убывающим током. Появление же э.д.с. самоиндукции повышает напряжение на конце линии, что в свою очередь вызывает движение зарядов в обратном направлении.

Следовательно, дойдя до разомкнутого конца линии, волны вынуждены двигаться в обратном направлении. Это явление называется отражением волны от конца линии. Энергия отраженных волн возвращается к началу линии (к генератору).

Электрические заряды прямой и обратной волн у конца провода складываются, в результате чего в этом месте в каждый момент времени получается удвоенное напряжение.//

Таким образом, максимальные значения напряжения и тока в стоячей волне не превышают двойного значения в режиме бегущей волны. Потери на активном сопротивлении проводников в режиме стоячей волны и потери в диэлектрике должны сравниваться с потерями в режиме бегущей. Эти потери пропорциональны площадям диаграмм токов (напряжений) в режиме бегущей и стоячей волн. Расчёты показывают, что средняя величина тока стоячей волны увеличивается примерно на 27% против тока бегущей, т.е. фактическое значение потерь на активном сопротивлении проводников также увеличивается примерно в два раза. Аналогичные величины и для среднего напряжения и потерь в диэлектрике. Т.е. эти потери никак не понижают к.п.д. СУ до 30% , как доказывают мои оппоненты , полагая , что четвертьволновой отрезок является трансформатором с огромным к.с.в.. Поэтому приведенные данные не исключают возможность применения в качестве линии коаксиального кабеля сообразно передаваемой мощности.

Подведу итог написанному.

Нет внешнего «замыкателя» цепи нагрузки генератора, потому что нагрузка представляет собой колебательную систему. Он не вне, а «внутри». Это полотно антенны.

Владимир Тихонов /UR 4 III /
10.01.2005


Просмотрено: 18543 раз(а) Обновлено 10.01.2005 в 13:49
Автор - Владимир Тихонов /UR 4 III /
Обсуждение этой статьи
05.11.2012 11:50 Полуволновой диполь, будучи запитанным с конца, есть весьма высок...  --  Сергей
31.03.2011 18:24 Пардон, почитал тему на форуме и понял о чем речь (насчет стоячей...  --  Прохожий
31.03.2011 16:06 {{В нашем случае имеем источник переменного тока, а ему (току) со...  --  Прохожий
01.01.2011 16:26 Уважаемый Сергей! С новым годом вас! Я безграмотный горец самоуч...  --  Магомед ex UA6W...
12.06.2010 23:36 Если рассматривать с точки зрения звуковых волн, то точка подключ...  --  Dr. Barmantal...
18.03.2010 12:05 Ребята, смешно читать, много слов но мало смысла! Не тормозите, ч...  --  Сергей
16.03.2008 20:25 Оригинально! Спасибо за подсказку....  --  Vlad UR4III...
26.12.2007 12:19 Не лучше ли перейти в звуковой диапазон и рассмотреть принцип раб...  --  DF6PL
16.06.2005 15:51 Андрей! Если не ошибаюсь, я с Вами беседовал по этому вопросу на...  --  Vlad UR4III...
07.06.2005 14:41 Vlad UR4III. Та физика, которую вы вкладываете в описание понятна...  --  андрей1958
28.03.2005 15:56 Послесловие. Продолжившееся обсуждение вопроса, поднятого в стать...  --  Vlad UR4III...
28.01.2005 14:57 {{Эл. поле – можно сказать параллельно антенне и его вектор – в в...  --  RV3DSF
26.01.2005 15:39 Дмитрий! Спасибо за придирчивый анализ. Есть три существенных мо...  --  Vlad UR 4 III...
24.01.2005 13:25 К сожалению, мной допущена ошибка в последней рецензии. {{при пер...  --  RV3DSF
22.01.2005 16:52 {{1.Ток смещения физически НЕ СУЩЕСТВУЕТ}} Не существует как т...  --  RV3DSF
19.01.2005 02:28 Да эта статья БРЕД СИВОЙ КОБЫЛЫ. Теоретической подготовки автора...  --  Разиюай
18.01.2005 00:46 "Зачем же смешивать эквивалентную схему с реальным железом"? Влад...  --  Владимир (DHQ)...
17.01.2005 14:59 Замечание "Буквоеда": Я думаю все поняли, что речь идет именно о...  --  Вадим
17.01.2005 12:19 Владимир (DHQ) Здравствуйте! Зачем же смешивать эквивалентную схе...  --  Vlad UR 4 III...
17.01.2005 12:19 UB5 //Видимо у оппонентов Влада были другие преподаватели. // Тол...  --  Vlad UR 4 III...
17.01.2005 12:18 Petrovich. // Только нужно в рис.4 второй вывод генератора соед...  --  Vlad UR 4 III...
17.01.2005 12:17 Дмитрий! С Новым Годом и с новым радиолюбительским счастьем! Я не...  --  Vlad UR 4 III...
17.01.2005 12:17 Сергей! Честное слово, пока не знаю, как правильно писать – Д или...  --  Vlad UR 4 III...
17.01.2005 12:16 Вадим! Полностью разделяю ваше мнение о том, что математика вытес...  --  Vlad UR 4 III...
17.01.2005 12:16 ВСЕМ, кого заинтересовал вопрос, вынесенный в заголовок статьи. Я...  --  Vlad UR 4 III...
17.01.2005 00:06 Автор на рис.4 показал эквивалентную схему подключение генератора...  --  Владимир (DHQ)...
16.01.2005 19:28 Ток может быть и в незамкнутой цепи. Рассмотрим простой пример,...  --  UB5
16.01.2005 19:17 Если к линии питания подключить противовесик, при питании антенны...  --  Petrovich
13.01.2005 14:54 Хорошая статья, но, на мой взгляд, есть одно заблуждение. Электри...  --  RV3DSF Дмитрий...
12.01.2005 22:04 Ну почему же йоД , а не йоТ. По-моему буквы йоД не существует, а...  --  Сергей
12.01.2005 17:49 Автор статьи поднял на самом деле не простой (как это кажется на ...  --  Вадим
12.01.2005 14:43 Boris es1go Не подумайте, что я профессор электротехники. Такой ...  --  Vlad UR 4 III...
11.01.2005 11:20 11 01 2005 Уважаемый Владимир ! Интересно, но вопрос- ..... . ...  --  Boris es1go...


Все статьи на CQHAM.RU
Экспорт статей с сервера CQHAM.RU

     << Назад