تبیان، دستیار زندگی
در این مطلب بررسی می شود که امواج الکترومغناطیسی چگونه از طریق آنتن دریافت می شوند...
عکس نویسنده
عکس نویسنده
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

مفاهیم اولیه راجع به آنتن

هدف:

در این مطلب می خواهیم بدانیم امواج الکترومغناطیسی چگونه از طریق آنتن دریافت می شوند و بحث فیزیکی مقدماتی راجع به آنتن را خواهیم داشت.

آنتن ها به دو دسته سیمی (تخت) و ماهواره ای (بشقابی) تقسیم می شوند:

 آنتن

شرح درس:

تصور کنید دست هایتان را به بیرون باز کرده اید و کلمات، تصاویر و اطلاعات معلق در هوا را با دست هایتان می گیرید. این دقیقا مانند کاری است که آنتن انجام می دهد. آنتن، یک میله یا بشقاب فلزی است که امواج رادیویی را دریافت کرده و آن ها را به علائم و سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند تا  وسایلی مانند تلویزیون، رادیو و تلفن با این سیگنال ها به کار بیفتند. چنین آنتن هایی را گیرنده یا رسیور می گویند.

عبور دهنده یا فرستنده، کاری برعکس گیرنده انجام می دهد؛ این فرستنده ها سیگنال های الکتریکی را به امواج رادیویی تبدیل می کنند و این امواج هزاران کیلومتر دور زمین یا حتی فضا می توانند منتشر شوند.

در هر اتم ذراتی با بارهای مثبت و منفی به نام پروتون و الکترون وجود دارد. برخی مواد مانند فلزات، که از لحاظ الکتریکی، رسانا هستند، الکترون هایی دارند که وابستگی کمی نسبت به هسته اتم دارند؛ برای همین زمانی که ولتاژی به فلز وارد می شود، الکترون ها به حرکت درآمده و جریانی الکتریکی به راه می افتد.

تصور کنید ذره ایی با بار منفی در نقطه ای از فضا قرار دارد. خطوط میدان الکتریکی اطراف این ذره منفی به صورت زیر است:

خطوط میدان الکتریکی برای بار مثبت نیز به صورت زیر است:

خطوط جهت داری که در اطراف بارها می بینید، در واقع، جهت نیروی وارد بر یک واحد از بار مثبت را نشان می دهند.

چگونه امواج الکترومغناطیسی توسط بارهای متحرک تولید می شوند؟

فرض کنید خطوط میدان الکتریکی، فنرهایی بسیار طولانی اند که به یک قاب دایره ای وصل هستند و یک بار در وسط این قاب دایره ای وجود دارد. اگر این بار، شروع به جهیدن به بالا و پایین کند، امواج به خارج از فنرها منتشر می شوند. (این فقط ساده سازی از مسئله تولید امواج توسط بارهای متحرک است)

میدان مغناطیسی (با رنگ آبی در شکل نشان داده شده است) تولید شده توسط یک بار مثبت که به طور مستقیم به سمت خارج از صفحه این مطلب حرکت می کند(یعنی جهت حرکت این بار مثبت، مستقیم به سمت شماست).

بار متحرک یعنی تولید و ایجاد یک جریان؛ همانگونه که از آزمایش اورستد به یاد دارید، عبور جریان از یک مدار باعث تولید میدان مغناطیسی دایره ای در اطراف مسیر بارهای متحرک خواهد شد. جهت میدان مغناطیسی با استفاده از قاعده دست راست، تعیین می شود.

دقت کنید که مانند شکل بالا، خطوط میدان مغناطیسی، عمود بر خطوط میدان الکتریکی هستند؛ این یکی از خاصیت های مهم امواج الکترومغناطیسی است.

وقتی راجع به جریان صحبت می کنیم، فرض می کنیم بارهای مثبت مانند حفره هستند و خلاف جهت الکترون ها حرکت می کنند. اگر ولتاژ متغیری به یک آنتن وصل کنیم، در واقع یک موج الکتریکی به بالای آنتن می فرستیم. الکترون های آزادی که در فلز آنتن هستند، مانند یک محیط برای انتشار موج رفتار می کنند. این وضعیت مانند تشکیل موج طولی صوتی است که در یک میله فلزی اتفاق می افتد. موج صوتی نیز با ناحیه های یک در میان متراکم و غیر متراکم منتشر می شود.

در نواحی متراکم، مولکول های میله اندکی به هم فشرده می شوند و در نواحی که تراکم در آن ها کمتر است، مولکول های میله از هم اندکی فاصله می گیرند. گرچه مولکول ها خیلی کم حرکت می کنند، اما موج صوتی می تواند تا فواصل بسیار دور منتشر شود.

همین حرکت کوچک الکترون ها به سمت بالا و پایین آنتن باعث تشکیل امواج الکترومغناطیسی می شود که می توانند با همان فرکانس ولتاژ متغیری که در ابتدا به آنتن وصل کرده بودیم، در فضای اطراف آنتن منتشر شوند.

این حالت برای انتقال سیگنال های رادیو و تلویزیون یا ارتباطات بی سیم(وایرلس wireless)مورد استفاده قرار می گیرد.

همانند موج صوتی، وقتی امواج الکتریکی با فرکانسی معین به انتهای آنتن برخورد می کنند، به سمت عقب بازتاب پیدا کرده و امواج ایستاده در آنتن تشکیل می شود؛ در قسمت انتهای آنتن، شکم تشکیل می شود که مقدار زیادی ولتاژ در این قسمت وجود دارد. سر دیگر آنتن که باز است، مانند یک مدار باز عمل می کند. افت ولتاژ در مدار باز، بیشترین مقدار خود را دارد ولی در اتصال کوتاه، مقدار آن به صفر می رسد. این امواج ایستاده در آنتن، با سرعت نور منتشر می شوند و طول موج ثابتی دارند.

ساده ترین شکل آنتن به صورت شکل بالا می باشد که آنتن دو قطبی نام دارد. به دلیل این که این نوع آنتن ها متقارن هستند؛ وقتی جریان مناسبی به آن ها اعمال کنیم، خیلی خوب کار می کنند. برای این که جریان مقدار مناسب و متعادلی داشته باشد، باید مقدار آن در هر دو طرف آنتن یکسان باشد. متعادل سازی جریان روی آنتن توسط یک کابل هم محور انجام می شود.

تشکیل امواج ایستاده در آنتن

در شکل بالا، امواج ایستاده تشکیل شده در یک آنتن دو قطبی نیم موج را مشاهده می کنید. یک ولتاژ متناوب به آنتن اعمال شده است. نیم موج های آبی برای جریان و قرمز برای ولتاژ هستند.

امواج منتشر شده از آنتن به صورت عرضی هستند؛ از آنجایی که امواج الکترومغناطیسی دارای هر دو مولفه میدان الکتریکی و مغناطیسی هستند، شکل موج عرضی آن ها بسیار پیچیده است، اما در کتاب ها آن را ساده تر نشان می دهند.

امواج الکترومغناطیسی منتشر شده در اطراف یک آنتن دو قطبی

در مطلب بعد، توضیحات بیشتری راجع به تشکیل امواج الکترومغناطیسی در آنتن خواهیم داد.


مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: خدیجه آلچالانلو
تنظیم: مریم فروزان کیا