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 появлениевихревого магнитного поля, в том числе и вне проводника. Магнитное полевозникает вокруг тока, поэтому Максвелл назвал переменное электрическое поле токомсмещения (в отличие от тока проводимости)».
В классическом примере при последовательном включенииисточника переменного тока, лампочки и конденсатора при замыкании цепи лампочкагорит. Далее привожу цитату из указанных источников, поясняющую суть этогоявления.
«При включении ключа в цепипостоянного тока лампочка кратковременно загорится, т.к. при зарядкеконденсатора протекает ток. В цепи переменного тока с частотой νконденсатор перезаряжается 2ν раз, т.е. лампочка горит непрерывно.
Токи проводимости в проводниках заменяются токами смещения вдиэлектрике конденсатора либо в вакууме: внутри конденсатора возникаетпеременное во времени электрическое поле, которое создает такое же магнитноеполе, как если бы между обкладками существовал ток проводимости, равный по силетоку в проводах».
Таким образом, ток смещения – «виртуальный» ток и он незамыкает цепь нагрузки. Лампочка горит благодаря перезарядке конденсатора.
Не течёт переменный ток через конденсатор, а постоянный иподавно!
Направление тока смещения (Iс) вконденсаторе 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 замыканияцепи.
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 онимеет то же направление, что и Iп. Т.е. здесь дажевидимости замыкания цепи питания нет. Если бы было по другому, то Iс совместно с Iп образовывал бызамкнутый контур и магнитное поле, «создаваемое» им, было бы противофазно полю,созданному Iп.
Таким образом, колебательный процесс в антенне ненуждается в каком-то внешнем «замыкателе» цепи её питания и для еговозникновения достаточно ОДНОГО провода, что практически подтверждается прииндуктивном питании антенны (рефлектор, директор).
Формальный перенос классического примера с лампочкой иконденсатором на процессы, возникающие в антенно-фидерных цепях, происходит,видимо потому, что забывается, что в этом примере участвуют ещё и монтажныепроводники. А при их длине, соизмеримой с длиной волны питающего генератора, вцепи 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. Простоуровень 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 обкладокконденсатора и катушки индуктивности не полностью соответствует истине, поскольку,если бы заряды собирались только на обкладках, то в случае разряда конденсатораток имел бы примерно равную величину по всей длине антенны. Воспользуемсядругим аналогом, приводимым в учебниках.
Возьмём полуволновой вибратор и разрежем его посредине. Кполовинкам вибратора подключим источник постоянного тока. Половинки зарядятсяразно полярными зарядами. Каждый элементарный отрезок одной половины вибраторасовместно с симметрично расположенным отрезком второй половины представляетсобой элементарный конденсатор. Отключим половинки от источника и соединим другс другом. Элементарные конденсаторы начнут разряжаться через полотно антенны.Возникнет ток, величина которого будет минимальна у концов вибратора имаксимальна в центре.
Однако каждый элементарный отрезок вибратора одновременноявляется индуктивностью. Т.е. вибратор можно представить как последовательноесоединение элементарных индуктивностей и параллельное соединение элементарныхконденсаторов
Рис.1 Рис.2 Рис.3
Ток разряда конденсаторов вызывает возникновение э.д.с.самоиндукции на элементарных индуктивностях. Суммарная э.д.с. будет максимальнана концах вибратора и минимальна в центре. Теперь мы получили модель, пригоднуюпри построении эквивалентной схемы питания вибратора.
Для поддержания незатухающих колебаний разомкнём вибраторпосредине и в место разъёма подключим генератор. Эквивалентная схема на рис.2.Генератор, индуктивность и ёмкость образуют последовательный колебательныйконтур. (Поскольку ищется элемент, замыкающий цепь питания, чтобы не усложнятьсхему, здесь и далее не учитывается активное сопротивление провода антенны исопротивление излучения).
Если сместить место подключения генератора ближе к краювибратора, то схема примет следующий вид (рис.3). Теперь часть элементарныхемкостей замыкается на индуктивности, образуя параллельный колебательныйконтур. Разрядный ток этих емкостей уже не «проходит» через генератор. И чемближе будет место включения генератора к концу антенны, тем меньший ток будетпроходить через него. Антенна – это колебательная система «замкнутая» сама насебя. Поэтому идея «противовесика» для сбора токов смещения и направления их кгенератору 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 клеммегенератора, а вторая «висит» в воздухе. Эквивалентная схема на рис.4. Будет ливозбуждаться колебательный процесс в этом случае? Да. И вот почему.
Рис. 4
Уместно вспомнить один важный момент при анализепроцессов в колебательном контуре. Это момент разряда конденсатора, когдаспадающий ток вызывает э.д.с. самоиндукции, поддерживающий его. При нулевомтоке в контуре э.д.с. максимальная. Она перезаряжает конденсатор, как быперенося положительные заряды с ранее заряженной ими обкладки на другуюобкладку и отрицательные заряды в противоположном направлении. Колебательныйпроцесс в классическом примере начинался с заряда конденсатора от стороннегоисточника питания и последующего замыкания его на индуктивность. Тот же процессначинается при включении генератора в цепь колебательного контура при незаряженном конденсаторе. Его функция - первоначально заменить э.д.с.самоиндукции, зарядить конденсатор и возбудить колебания. Далее он тольковосполняет потери в контуре. Место подключения генератора – посрединевибратора, с краю или ещё где-то в полотне антенны – не имеет значения. Где быон ни был подключён, он первоначально выполняет функцию э.д.с. самоиндукции –заряжает конденсатор. Фактически мы имеем дело с одиночным проводом и надальнем конце всегда будет пучность напряжения – одна обкладка конденсатора.Где будет вторая, зависит от длины провода и частоты генератора. В полуволновомвибраторе она будет на питающей клемме.
В приведенных примерах я не вижу нарушения каких-тозаконов электротехники.
Вариант запитки антенны с конца тождественно объясняетсяи на основе процессов, происходящих в линии питания. Она также как и антеннаявляется системой с распределённой емкостью и индуктивностью. Если линияразомкнута на конце, то в её проводах образуются стоячие волны тока инапряжения. При определённых длинах в линии возникает резонансные явления. Еслипровода линии развести в пространстве, она из средства доставки энергии вантенну сама превращается в антенну. Если один из проводов линии удлинить илиукоротить на половину длины питающей волны, получим Цеппелин. Если убратьоставшуюся часть линии и полуволновой вибратор подключить непосредственно кклемме генератора, он не перестанет быть антенной.
Разумеется, в этих примерах мы не касались согласованиягенератора и антенны. Оно элегантно решено в Йод-антенне. В четвертьволновомотрезке линии, замкнутом на конце, всегда можно найти место подключениягенератора, в котором входное сопротивление линии равно выходному генератора.При этом теоретически всё равно подключена к линии антенна или нет.
Трудно увидеть в этом отрезке четвертьволновойтрансформатор, поскольку гальванически ко «вторичной обмотке» антеннаподключена одним концом. Полярность пучности напряжения на «неподключённом»конце линии имеет тот же знак, что и на дальнем конце антенны. Поэтому если быток смещения действительно мог бы замкнуть нагрузочную цепь, то он не смог быпротечь между одно полярными зарядами по определению.
Этот отрезок является согласующим устройством (СУ) междугенератором и антенной. Поскольку он работает в режиме стоячей волны, покажем,на сколько увеличиваются токи и напряжения в нём.
Здесь уместно привести цитату, объясняющую механизмобразования стоячей волны. Н.М.Изюмов. Курс радиотехники, 3-е изд. Военное из-во МОСССР, М., 1958 г.
Волны в разомкнутой и короткозамкнутой линии. Стр.96
//Рассмотрим процесс в линии ограниченной длины при режимаххолостого хода и короткого замыкания. Первый из этих случаев представлен нарис.93 (концы линии изолированы друг от друга).
Предположим, что бегущая волна тока достигла изолированныхконцов провода и заряды дальше двигаться не могут. Ток должен прекратиться. Ноубывание тока создаёт по правилу Ленца э.д.с., направленную попутно с убывающимтоком. Появление же э.д.с. самоиндукции повышает напряжение на конце линии, чтов свою очередь вызывает движение зарядов в обратном направлении.
Следовательно, дойдя до разомкнутого конца линии, волнывынуждены двигаться в обратном направлении. Это явление называется отражениемволны от конца линии. Энергия отраженных волн возвращается к началу линии (кгенератору).
Электрические заряды прямой и обратной волн у конца проводаскладываются, в результате чего в этом месте в каждый момент времени получаетсяудвоенное напряжение.//
Таким образом, максимальные значения напряжения и тока встоячей волне не превышают двойного значения в режиме бегущей волны. Потери наактивном сопротивлении проводников в режиме стоячей волны и потери вдиэлектрике должны сравниваться с потерями в режиме бегущей. Эти потерипропорциональны площадям диаграмм токов (напряжений) в режиме бегущей и стоячейволн. Расчёты показывают, что средняя величина тока стоячей волны увеличиваетсяпримерно на 27% против тока бегущей, т.е. фактическое значение потерь наактивном сопротивлении проводников также увеличивается примерно в два раза.Аналогичные величины и для среднего напряжения и потерь в диэлектрике. Т.е. этипотери никак не понижают к.п.д. СУ до 30% , как доказывают мои оппоненты ,полагая , что четвертьволновой отрезок является трансформатором с огромнымк.с.в.. Поэтому приведенные данные не исключают возможность применения вкачестве 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
