天线如何辐射（电流如何流过电线）

我不明白天线如何辐射信号。

我了解基本的天线（波长，电子E场等），但我根本不了解电流如何流过没有负极的电线。

你能给我解释一下吗？

我猜您不了解没有完整电路的情况下电流如何流动。让我们以一个简单的四分之一波偶极子为例：

^{模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

由于从V1的“-”到“ +”没有完整的电路，所以电流如何流动？

$\lambda/2$$180^\circ$

为什么能量辐射很复杂。长答案是“ 麦克斯韦方程组 ”。如果您不想理解该数学运算的所有细节，那么这里有一个简单的，不完整的理解：天线中的电流与磁场相关，而电压与电场相关。天线是这样的布置，使得在与天线相距一定距离（远场）处，这两个场相互垂直且同相，并且得到的是这样的自传播波：

红色是电场（E），蓝色是磁场（B）。这是与Z轴对齐的偶极子会发出的波。

这是一个过分简化的版本，可帮助我摆脱对菜鸟的无知。

小型天线基本上有两种类型：小型环形天线和短偶极天线。小环形天线只是一圈导线，导线中的任何电流都会在天线周围产生磁场。该设备是一种电感器，但具有较大的空间填充磁场。

另一方面，短偶极天线只是一对伸向空中的金属“电容器极板”，如果在它们之间施加电压，则周围空间将产生电场。该设备只是一个电容器，但同样，它在周围区域具有较大的空间填充场。

施加一个正弦波而不是恒定的伏特或电流，“天线”周围的场将扩展，然后收缩为零，然后再次扩展，但指向后方……然后重复。没有波产生，因此它们根本不是无线电天线。但是他们正在太空中创建一些本地EM字段。

这是MIT的“ TEAL”视频项目，带有可视化的流程版本：

扩展/收缩b场或e场

到目前为止还好吗？环形天线产生磁场，而偶极天线产生电场。当我们以很高的频率驱动任一天线时，就会发生奇怪的事情。那，或者我们可以构建任何一种天线的版本，其尺寸如此之大，以至于就天线而言，甚至60Hz都将是一种“无线电信号”。

事实是：围绕这些天线的磁场或电场不能以比光速更快的速度扩展或收缩。那么，如果施加到这些设备的交流脉冲“太快”会发生什么呢？电感器或电容器周围的磁场必须向外膨胀，然后再次被吸回，但是如果速度接近光速怎么办？那是当田野停止像膨胀或收缩不可见气球的行为时。相反，这些字段开始表现为波浪状。

因此，当我们在交流正弦波期间反转极性时，电场或b场不会像往常一样被完全吸回。相反，它会从天线上剥落并继续移动。某些场能不会被回收，而是会损失到太空中。我们的环形天线不再只是电感器，它开始发出波浪。现在，我们的偶极子是一个发射器，而不仅仅是一个电容器。

YT vid：围绕小天线的电磁场

好问题！复杂的答案。要了解为什么没有返回路径（“负极”）会发生这种情况，您必须超越欧姆定律。

所有加速电荷都会散发出去。因此，传导交流电的所有东西都充当天线。但是，它们通常是较差的天线，并且辐射不佳。结果，通常可以简单地忽略此方面以简化问题。

为了制造出质量优良的天线，您必须将功率（能量包含在电压和电流中）转换为远离天线传播的电磁辐射（能量包含在E场和H场中）。这要求您的天线的阻抗要大致匹配，并且引起辐射的电流同相加在一起，以使它们不会像在传输线中那样相互抵消。正如Jim Dearden提到的那样，您可以根据实际长度来设计以获取驻波或将其消除。

您有关“没有负极”的问题与使用简化的电路模型有关，该模型与电压和电流的3d方面和场无关。电流可以流过任何导电的东西（极或无极）。外部EM（电磁）波一直在执行此操作。但是，没有欧姆定律模型可以预测这一点。

为了摆脱简单的欧姆定律，工程师采用了“辐射电阻”模型。与标准欧姆电阻的使用方式相似。按照欧姆定律，耗散的能量转化为热量。在辐射抗性模型中，耗散的能量转化为辐射。

辐射电阻只是一个简单的工具，可以帮助工程师评估已知的电路元件（例如，通常有一些RF专家为您计算），而无需使用麦克斯韦方程组并将边界条件应用于物理电路以准确地了解辐射模式。

理解电路行为的真正关键是要了解何时需要考虑辐射方面。当电路的工作频率的波长实际上接近于电路的大小时，欧姆定律就开始迅速分解。根据经验，如果波长与电路尺寸之比大于0.1，则需要应用麦克斯韦方程来了解该电路如何工作。因此，术语“四分之一波”天线应该是您需要应用EM理论来了解电路功能的线索。

如果您有时间，请尝试阅读本文以了解EM辐射。它旨在为工程师指导电路如何以欧姆定律无法预测的方式工作。它确实包含很多EM理论，但是您不需要真正理解所有这些知识，而是可以了解到，当您的工作频率接近电路的物理尺寸时，电路分析会有很大的不同。

编辑：我只是想另一个例子可能会有所帮助。电容器没有返回路径，它们只是开路，但以某种方式起作用，对吗？这（和只是短路的电感器）仅由于其辐射特性而起作用。工程师们找到了一种将EM方程转换为固定元素（或集总元素）的方法，因此可以将它们合并到欧姆定律模型中，从而使其更易于使用。就像天线一样，发生的事情可能不止是一块无处不在的金属。

也许这并没有真正回答Q，但是与一些彻底的文字解释不同，对我来说，理解偶极（天线）以及它如何辐射，源于了解LC电路https://en.wikipedia.org/wiki /文件：LC_parallel_simple.svg

看到这个简单的动画后（“偶极子的形成方式”）：

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Dipolentstehung.gif

与大量文本不同，那确实令人大开眼界。

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Dipole_receiving_antenna_animation_6_800x394x150ms.gif

电流如何通过天线中的电线流动与以下事实有关：光速是有限的，并且天线的尺寸非零（相对于天线设计频率下的光速），并且非零。零电容。基础物理学。

由于光速是有限的，因此非零长度导线的一端可以具有与另一端不同的电压并具有不同的电荷，因为光速会阻止它们立即均衡。这将需要一些时间（每英尺电线大约一纳秒，或者每米大约3 nS，甚至可能慢一点）。

假设您将电线连接到电池，电流或电子的一端流入另一端。但是，如果导线如此之长，从一端到另一端需要0.25 uS的光速怎么办？然后，如果电流开始在一端流动，那么直到0.25微秒后电流才真正“知道”是否电流从电线的另一端流出进入电池。

因此，如果仅将电线的一端连接到电压源，则电流开始流动，当电流到达电线的另一端时，就像电容器一样，对电线的另一端进行充电，因为它没有电容器。还有其他地方（找不到相反的电池端子）。但是，如果您使用1 MHz振荡器而不是DC电池驱动近端，那么当远端充电时，近端会迅速反转电压，以使电容器及时放电（因为这需要另外0.25 uS费用返回到馈电点）。

电线的有限长度也具有电感。该电感将引起反电动势，从而阻止电荷向上传播。该电阻会导致导线中的能量损失，并且能量的守恒将其能量以光速从天线飞向电磁场，并且比任何抵消波都要快（由导线反向方向的电荷引起）可以赶上并取消它。这些交替的EM场前沿在从天线的近场辐射出去时变成标准的RF波。

电路的负极是另一半偶极子的远端，该偶极子反向充电和放电。或者，在垂直单极天线的情况下，行星地球（和/或地线，无线电箱，您的手，最终是整个宇宙）最终成为电容器的另一极。

我猜这种方法虽然不完全正确，但可能会有所帮助。试想一下，电池和连接在其端子上的2条导线是开放式的。电池中存在强电。这意味着电池中存在电场，现在该电场穿过连接的导线，导致+ ve和-ve电荷在各自的末端累积，直到达到相同的电势为止，直到电池的电势不变之前一直存在。现在，两个开放端的电位都与电池相同。现在，如果我增加电池的电势，则更多的电荷将流到末端，直到电势平衡为止。当我降低电位时，一些电荷会移回去。虽然费用的变动是短期的。当施加交流电压时，这种运动会连续发生，有效地振荡电荷，从而产生EM波。希望这可以帮助 ：）

辐射与天线机制

无线电波是大气中看不见的交流电。光波是大气中可见的交流电。

天线是电流的端子；没有电流通过天线，只有电压随输入电流振荡。发射天线中的该振荡电压在空气中感应出交流电，以90度角从天线表面传播出去，穿过空气到达接收天线并在其中感应出振荡电压。

在此过程中，天线像气球，电流像空气，电压像气压。

当空气从气球中泵入和流出时，气球中的压力将不断变化并在空气中产生纵向声波。

类似地，当电子从天线中抽入和抽出时，天线中的电压将不断变化并在空气中产生纵向静电波。实际上，这是空气中的交流电。

在真空空间中，库仑力是电能的导体。天线表面上的视线电子不断地通过库仑力相互排斥。F = Ke x Q1Q2 / R ^ 2。

这种排斥力充当了没有质量和身体的刚性杆，并立即在两个天线之间自由地来回传递电能。

每只手握住一块磁铁，两极彼此面对。您是否感到强烈的排斥力？是。挥手出手。感到动能立即转移到另一只手？是。两只手是否以相同的频率挥动？是。两只手之间有电磁波传播吗？没有。

排斥磁力是两只手之间动能的导体，使动能立即自由传递。我们可以称这种现象为电磁辐射。

如果我们将电子而不是磁铁握在手中，那就是静电辐射，这是科学家对电磁辐射的错误解释。

交流方向始终垂直于天线表面，并且它在空中作为纵波传播。