เมื่อมันมาถึงเสาอากาศคำถามที่ผู้คนกังวลมากที่สุดคือ “การแผ่รังสีเกิดขึ้นจริงได้อย่างไร” สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างโดยแหล่งสัญญาณแพร่กระจายผ่านสายส่งและภายในเสาอากาศ และสุดท้าย “แยก” ออกจากเสาอากาศจนกลายเป็นคลื่นอวกาศได้อย่างไร
1. การแผ่รังสีด้วยสายเดี่ยว
ให้เราถือว่าความหนาแน่นของประจุที่แสดงเป็น qv (คูลอมบ์/ม3) กระจายอย่างสม่ำเสมอในลวดวงกลมที่มีพื้นที่หน้าตัดเป็น a และมีปริมาตรเป็น V ดังที่แสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1
ประจุรวม Q ในปริมาตร V เคลื่อนที่ในทิศทาง z ด้วยความเร็วสม่ำเสมอ Vz (m/s) สามารถพิสูจน์ได้ว่าความหนาแน่นกระแส Jz บนหน้าตัดของสายไฟมีค่าดังนี้:
Jz = qvvz （1）
หากสายไฟทำด้วยตัวนำในอุดมคติ ความหนาแน่นกระแส Js บนพื้นผิวสายไฟจะเป็นดังนี้:
Js = qs vz （2）
โดยที่ qs คือความหนาแน่นของประจุบนพื้นผิว หากลวดมีขนาดบางมาก (โดยปกติแล้วรัศมีจะเป็น 0) กระแสในลวดสามารถแสดงได้ดังนี้:
อิซ = ql vz (3)
โดยที่ ql (คูลอมบ์/เมตร) คือประจุต่อหน่วยความยาว
เราสนใจเรื่องสายไฟเส้นเล็กเป็นหลัก และข้อสรุปนั้นใช้ได้กับสามกรณีข้างต้น หากกระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามเวลา อนุพันธ์ของสูตร (3) เทียบกับเวลาจะเป็นดังนี้:
（4）
az คือความเร่งของประจุ ถ้าความยาวของสายคือ l สามารถเขียน (4) ได้ดังนี้:
（5）
สมการ (5) เป็นความสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างกระแสและประจุ และยังเป็นความสัมพันธ์พื้นฐานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอีกด้วย กล่าวอย่างง่ายๆ ก็คือ ในการผลิตรังสี จะต้องมีกระแสที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาหรือความเร่ง (หรือความหน่วง) ของประจุ โดยทั่วไป เราจะกล่าวถึงกระแสในแอปพลิเคชันฮาร์โมนิกตามเวลา และประจุมักจะกล่าวถึงในแอปพลิเคชันชั่วคราว เพื่อให้เกิดความเร่ง (หรือความหน่วง) ของประจุ ลวดจะต้องงอ พับ และไม่ต่อเนื่อง เมื่อประจุแกว่งไปมาในการเคลื่อนที่ฮาร์โมนิกตามเวลา ประจุจะทำให้เกิดความเร่ง (หรือความหน่วง) ของประจุเป็นระยะๆ หรือกระแสที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ดังนั้น:
1) หากประจุไม่เคลื่อนที่ ก็จะไม่มีกระแสและไม่มีการแผ่รังสี
2) ถ้าประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่:
ก. ถ้าลวดเป็นเส้นตรงและมีความยาวไม่จำกัด ก็จะไม่มีการแผ่รังสี
ข. หากลวดงอ พับ หรือไม่ต่อเนื่อง ดังแสดงในรูปที่ 2 แสดงว่ามีการแผ่รังสี
3) หากประจุแกว่งไปตามกาลเวลา ประจุจะแผ่รังสีแม้ว่าลวดจะตรงก็ตาม
รูปที่ 2
ความเข้าใจเชิงคุณภาพของกลไกการแผ่รังสีสามารถทำได้โดยการดูแหล่งกำเนิดพัลส์ที่เชื่อมต่อกับสายไฟเปิดที่สามารถต่อลงดินได้ผ่านโหลดที่ปลายเปิดของสายไฟ ดังที่แสดงในรูปที่ 2(d) เมื่อสายไฟได้รับพลังงานในตอนแรก ประจุ (อิเล็กตรอนอิสระ) ในสายไฟจะเคลื่อนที่โดยเส้นสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยแหล่งกำเนิด เมื่อประจุถูกเร่งที่ปลายสายไฟของแหล่งกำเนิดและช้าลง (ความเร่งเชิงลบเมื่อเทียบกับการเคลื่อนที่เดิม) เมื่อสะท้อนที่ปลายสายไฟ สนามรังสีจะถูกสร้างขึ้นที่ปลายสายไฟและตลอดส่วนที่เหลือของสายไฟ การเร่งประจุเกิดขึ้นโดยแหล่งแรงภายนอกที่กระตุ้นประจุให้เคลื่อนที่และสร้างสนามรังสีที่เกี่ยวข้อง การลดความเร็วของประจุที่ปลายสายไฟเกิดขึ้นโดยแรงภายในที่เกี่ยวข้องกับสนามเหนี่ยวนำ ซึ่งเกิดจากการสะสมของประจุที่กระจุกตัวกันที่ปลายสายไฟ แรงภายในได้รับพลังงานจากการสะสมของประจุเมื่อความเร็วลดลงเหลือศูนย์ที่ปลายสายไฟ ดังนั้น การเร่งความเร็วของประจุเนื่องจากการกระตุ้นของสนามไฟฟ้าและการชะลอของประจุเนื่องจากความไม่ต่อเนื่องหรือเส้นโค้งเรียบของอิมพีแดนซ์ของลวดจึงเป็นกลไกในการสร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า แม้ว่าความหนาแน่นของกระแส (Jc) และความหนาแน่นของประจุ (qv) จะเป็นเงื่อนไขของแหล่งกำเนิดในสมการของแมกซ์เวลล์ แต่ประจุถือเป็นปริมาณพื้นฐานมากกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสนามชั่วคราว แม้ว่าคำอธิบายการแผ่รังสีนี้จะใช้เป็นหลักสำหรับสถานะชั่วคราว แต่ยังสามารถใช้เพื่ออธิบายการแผ่รังสีสถานะคงที่ได้อีกด้วย
ขอแนะนำหลายๆอย่างที่ดีเยี่ยมสินค้าเสาอากาศผลิตโดยRFMISO:
RM-ทีซีอาร์406.4
RM-BCA082-4（0.8-2กิกะเฮิรตซ์)
รุ่น RM-SWA910-22 (9-10GHz)
2. สายรังสีสองเส้น
เชื่อมต่อแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากับสายส่งไฟฟ้าสองสายที่เชื่อมต่อกับเสาอากาศ ดังแสดงในรูปที่ 3(a) การจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับสายสองสายจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าระหว่างตัวนำทั้งสอง เส้นสนามไฟฟ้าจะกระทำกับอิเล็กตรอนอิสระ (ซึ่งแยกออกจากอะตอมได้ง่าย) ที่เชื่อมต่อกับตัวนำแต่ละเส้น และบังคับให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่ของประจุจะสร้างกระแสไฟฟ้า ซึ่งในทางกลับกันจะก่อให้เกิดสนามแม่เหล็ก
รูปที่ 3
เราได้ยอมรับแล้วว่าเส้นสนามไฟฟ้าเริ่มต้นด้วยประจุบวกและลงท้ายด้วยประจุลบ แน่นอนว่าเส้นสนามไฟฟ้าอาจเริ่มต้นด้วยประจุบวกและลงท้ายด้วยอนันต์ก็ได้ หรืออาจเริ่มต้นที่อนันต์และลงท้ายด้วยประจุลบก็ได้ หรืออาจสร้างวงปิดที่ไม่เริ่มต้นหรือลงท้ายด้วยประจุใดๆ ก็ได้ เส้นสนามแม่เหล็กจะสร้างวงปิดรอบๆ ตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเสมอ เนื่องจากในฟิสิกส์ไม่มีประจุแม่เหล็ก ในสูตรทางคณิตศาสตร์บางสูตร จะมีการนำประจุแม่เหล็กที่เทียบเท่าและกระแสแม่เหล็กมาใช้เพื่อแสดงความเป็นคู่ตรงข้ามระหว่างโซลูชันที่เกี่ยวข้องกับกำลังและแหล่งแม่เหล็ก
เส้นสนามไฟฟ้าที่วาดระหว่างตัวนำสองตัวช่วยแสดงการกระจายตัวของประจุไฟฟ้า หากเราถือว่าแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าเป็นไซน์ เราก็คาดหวังว่าสนามไฟฟ้าระหว่างตัวนำทั้งสองจะเป็นไซน์เช่นกัน โดยมีคาบเท่ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า ขนาดสัมพันธ์ของความเข้มของสนามไฟฟ้าแสดงโดยความหนาแน่นของเส้นสนามไฟฟ้า และลูกศรระบุทิศทางสัมพันธ์ (บวกหรือลบ) การสร้างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาระหว่างตัวนำทั้งสองจะสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายไปตามสายส่ง ดังที่แสดงในรูปที่ 3(a) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าสู่เสาอากาศพร้อมกับประจุไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง หากเราลบส่วนหนึ่งของโครงสร้างเสาอากาศออกไป ดังที่แสดงในรูปที่ 3(b) คลื่นอวกาศว่างจะเกิดขึ้นได้โดย "เชื่อมต่อ" ปลายเปิดของเส้นสนามไฟฟ้า (แสดงด้วยเส้นประ) คลื่นอวกาศว่างยังเป็นคาบ แต่จุดเฟสคงที่ P0 เคลื่อนออกไปด้านนอกด้วยความเร็วแสงและเดินทางเป็นระยะทาง λ/2 (ถึง P1) ในครึ่งหนึ่งของช่วงเวลา ใกล้กับเสาอากาศ จุดเฟสคงที่ P0 เคลื่อนที่เร็วกว่าความเร็วแสงและเข้าใกล้ความเร็วแสงที่จุดที่อยู่ห่างจากเสาอากาศ รูปที่ 4 แสดงการกระจายของสนามไฟฟ้าในอวกาศว่างของเสาอากาศ λ∕2 ที่ t = 0, t/8, t/4 และ 3T/8
รูปที่ 4 การกระจายของสนามไฟฟ้าในอวกาศว่างของเสาอากาศ λ∕2 ที่ t = 0, t/8, t/4 และ 3T/8
ไม่ทราบว่าคลื่นนำทางแยกออกจากเสาอากาศและก่อตัวขึ้นเพื่อแพร่กระจายในอวกาศได้อย่างไร เราสามารถเปรียบเทียบคลื่นนำทางและอวกาศกับคลื่นน้ำ ซึ่งอาจเกิดจากก้อนหินที่ตกลงไปในน้ำที่สงบหรือเกิดจากสาเหตุอื่นๆ เมื่อการรบกวนในน้ำเริ่มขึ้น คลื่นน้ำจะถูกสร้างขึ้นและเริ่มแพร่กระจายออกไป แม้ว่าการรบกวนจะหยุดลง คลื่นจะไม่หยุดแต่ยังคงแพร่กระจายไปข้างหน้า หากการรบกวนยังคงอยู่ คลื่นใหม่จะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง และการแพร่กระจายของคลื่นเหล่านี้จะล่าช้ากว่าคลื่นอื่นๆ
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการรบกวนทางไฟฟ้าก็เช่นเดียวกัน หากการรบกวนทางไฟฟ้าเริ่มต้นจากแหล่งกำเนิดมีระยะเวลาสั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะแพร่กระจายไปภายในสายส่ง จากนั้นเข้าสู่เสาอากาศ และในที่สุดก็แผ่คลื่นออกมาเป็นคลื่นอวกาศ แม้ว่าจะไม่มีการกระตุ้นอีกต่อไปแล้วก็ตาม (เช่นเดียวกับคลื่นน้ำและการรบกวนที่เกิดขึ้น) หากการรบกวนทางไฟฟ้าเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะคงอยู่ตลอดเวลาและติดตามอยู่ด้านหลังอย่างใกล้ชิดระหว่างการแพร่กระจาย ดังที่แสดงในเสาอากาศรูปกรวยคู่ที่แสดงในรูปที่ 5 เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ภายในสายส่งและเสาอากาศ การมีอยู่ของคลื่นจะเกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของประจุไฟฟ้าภายในตัวนำ อย่างไรก็ตาม เมื่อคลื่นถูกแผ่ออกไป คลื่นจะก่อตัวเป็นวงปิด และไม่มีประจุที่จะคงอยู่ต่อไป สิ่งนี้ทำให้เราสรุปได้ว่า:
การกระตุ้นสนามต้องอาศัยการเร่งความเร็วและการชะลอความเร็วของประจุ แต่การรักษาสนามไม่จำเป็นต้องอาศัยการเร่งความเร็วและการชะลอความเร็วของประจุ
รูปที่ 5
3. การแผ่รังสีไดโพล
เราพยายามอธิบายกลไกที่เส้นสนามไฟฟ้าแยกออกจากเสาอากาศและก่อตัวเป็นคลื่นอวกาศอิสระ และใช้เสาอากาศไดโพลเป็นตัวอย่าง แม้ว่าจะเป็นคำอธิบายแบบง่าย ๆ แต่ก็ทำให้ผู้คนมองเห็นการเกิดคลื่นอวกาศอิสระได้อย่างสัญชาตญาณ รูปที่ 6(a) แสดงเส้นสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างแขนทั้งสองของไดโพลเมื่อเส้นสนามไฟฟ้าเคลื่อนออกด้านนอก λ∕4 ในไตรมาสแรกของรอบ สำหรับตัวอย่างนี้ สมมติว่าจำนวนเส้นสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นคือ 3 ในไตรมาสถัดไปของรอบ เส้นสนามไฟฟ้าสามเส้นเดิมจะเคลื่อนอีก λ∕4 (รวมเป็น λ∕2 จากจุดเริ่มต้น) และความหนาแน่นของประจุบนตัวนำจะเริ่มลดลง อาจถือได้ว่าเกิดจากการนำประจุตรงข้ามเข้ามา ซึ่งจะหักล้างประจุบนตัวนำเมื่อสิ้นสุดครึ่งแรกของรอบ เส้นสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจากประจุตรงข้ามมีค่าเท่ากับ 3 และเคลื่อนที่เป็นระยะทาง λ∕4 ซึ่งแสดงด้วยเส้นประในรูปที่ 6(b)
ผลลัพธ์สุดท้ายคือมีเส้นสนามไฟฟ้าลงสามเส้นในระยะ λ∕4 แรกและมีเส้นสนามไฟฟ้าขึ้นจำนวนเท่ากันในระยะ λ∕4 ที่สอง เนื่องจากไม่มีประจุสุทธิบนเสาอากาศ เส้นสนามไฟฟ้าจึงต้องถูกบังคับให้แยกออกจากตัวนำและรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างวงปิด ซึ่งแสดงไว้ในรูปที่ 6(c) ในครึ่งหลัง กระบวนการทางกายภาพเดียวกันจะทำตาม แต่สังเกตว่าทิศทางจะตรงกันข้าม หลังจากนั้น กระบวนการจะทำซ้ำและดำเนินต่อไปอย่างไม่มีกำหนด ทำให้เกิดการกระจายของสนามไฟฟ้าคล้ายกับรูปที่ 4
รูปที่ 6
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
เวลาโพสต์ : 20 มิ.ย. 2567
