जब यह आता हैएंटेना, जिस प्रश्न को लेकर लोग सबसे अधिक चिंतित हैं, वह है "वास्तव में विकिरण कैसे प्राप्त किया जाता है?" सिग्नल स्रोत द्वारा उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र ट्रांसमिशन लाइन के माध्यम से और एंटीना के अंदर कैसे फैलता है, और अंत में एंटीना से "अलग" होकर एक मुक्त अंतरिक्ष तरंग बनाता है।
1. एकल तार विकिरण
आइए हम मान लें कि आवेश घनत्व, जिसे qv (कूलम्ब/m3) के रूप में व्यक्त किया जाता है, एक वृत्ताकार तार में समान रूप से वितरित होता है जिसका अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल a और आयतन V होता है, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है।
आकृति 1
आयतन V में कुल आवेश Q एकसमान गति Vz (m/s) से z दिशा में गति करता है। यह सिद्ध किया जा सकता है कि तार के अनुप्रस्थ काट पर धारा घनत्व Jz है:
जेज़ = क्यूवी वीज़ （1）
यदि तार एक आदर्श चालक का बना है, तो तार की सतह पर धारा घनत्व Js है:
जेएस = क्यूएस वीज़ेड （2）
जहाँ qs सतही आवेश घनत्व है। यदि तार बहुत पतला है (आदर्श रूप से, त्रिज्या 0 है), तो तार में धारा को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:
इज़ = क्यूएल वीज़ेड (3)
जहाँ ql (कूलम्ब/मीटर) प्रति इकाई लम्बाई पर आवेश है।
हम मुख्य रूप से पतले तारों से संबंधित हैं, और निष्कर्ष उपरोक्त तीन मामलों पर लागू होते हैं। यदि धारा समय-परिवर्तनशील है, तो समय के संबंध में सूत्र (3) का व्युत्पन्न इस प्रकार है:
（4）
az आवेश त्वरण है। यदि तार की लंबाई l है, तो (4) को निम्न प्रकार लिखा जा सकता है:
（5）
समीकरण (5) धारा और आवेश के बीच का मूल संबंध है, और विद्युत चुम्बकीय विकिरण का भी मूल संबंध है। सरल शब्दों में कहें तो विकिरण उत्पन्न करने के लिए आवेश का समय-भिन्न धारा या त्वरण (या मंदी) होना चाहिए। हम आमतौर पर समय-हार्मोनिक अनुप्रयोगों में धारा का उल्लेख करते हैं, और आवेश का उल्लेख अक्सर क्षणिक अनुप्रयोगों में किया जाता है। आवेश त्वरण (या मंदी) उत्पन्न करने के लिए, तार को मुड़ा हुआ, मुड़ा हुआ और असंतत होना चाहिए। जब आवेश समय-हार्मोनिक गति में दोलन करता है, तो यह आवधिक आवेश त्वरण (या मंदी) या समय-भिन्न धारा भी उत्पन्न करेगा। इसलिए:
1) यदि आवेश गति नहीं करेगा तो कोई धारा नहीं होगी और कोई विकिरण भी नहीं होगा।
2) यदि आवेश स्थिर गति से चलता है:
यदि तार सीधा और अनंत लंबाई का है, तो कोई विकिरण नहीं होगा।
ख. यदि तार मुड़ा हुआ, मुड़ा हुआ या असतत है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है, तो विकिरण होता है।
3) यदि आवेश समय के साथ दोलन करता है, तो तार सीधा होने पर भी आवेश विकीर्ण होगा।
चित्र 2
विकिरण तंत्र की गुणात्मक समझ एक खुले तार से जुड़े स्पंदित स्रोत को देखकर प्राप्त की जा सकती है जिसे इसके खुले सिरे पर एक लोड के माध्यम से ग्राउंड किया जा सकता है, जैसा कि चित्र 2(डी) में दिखाया गया है। जब तार को शुरू में सक्रिय किया जाता है, तो स्रोत द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र रेखाओं द्वारा तार में आवेश (मुक्त इलेक्ट्रॉन) गति में सेट हो जाते हैं। जैसे ही आवेश तार के स्रोत सिरे पर त्वरित होते हैं और इसके सिरे पर परावर्तित होने पर मंद हो जाते हैं (मूल गति के सापेक्ष ऋणात्मक त्वरण), इसके सिरों पर और तार के बाकी हिस्सों के साथ एक विकिरण क्षेत्र उत्पन्न होता है। आवेशों का त्वरण बल के एक बाहरी स्रोत द्वारा पूरा किया जाता है जो आवेशों को गति में सेट करता है और संबंधित विकिरण क्षेत्र का उत्पादन करता है। तार के सिरों पर आवेशों का मंदन प्रेरित क्षेत्र से जुड़े आंतरिक बलों द्वारा पूरा किया जाता है, जो तार के सिरों पर केंद्रित आवेशों के संचय के कारण होता है। आंतरिक बल आवेश के संचय से ऊर्जा प्राप्त करते हैं क्योंकि तार के सिरों पर इसका वेग शून्य हो जाता है। इसलिए, विद्युत क्षेत्र उत्तेजना के कारण आवेशों का त्वरण और तार प्रतिबाधा की असंततता या चिकनी वक्र के कारण आवेशों का मंद होना विद्युत चुम्बकीय विकिरण की उत्पत्ति के तंत्र हैं। हालाँकि मैक्सवेल के समीकरणों में धारा घनत्व (Jc) और आवेश घनत्व (qv) दोनों ही स्रोत शब्द हैं, लेकिन आवेश को अधिक मौलिक मात्रा माना जाता है, खासकर क्षणिक क्षेत्रों के लिए। हालाँकि विकिरण की यह व्याख्या मुख्य रूप से क्षणिक अवस्थाओं के लिए उपयोग की जाती है, लेकिन इसका उपयोग स्थिर-अवस्था विकिरण को समझाने के लिए भी किया जा सकता है।
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2. दो-तार विकिरण
वोल्टेज स्रोत को एंटीना से जुड़ी दो-कंडक्टर ट्रांसमिशन लाइन से कनेक्ट करें, जैसा कि चित्र 3(ए) में दिखाया गया है। दो-तार लाइन पर वोल्टेज लगाने से कंडक्टरों के बीच एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता है। विद्युत क्षेत्र रेखाएँ प्रत्येक कंडक्टर से जुड़े मुक्त इलेक्ट्रॉनों (परमाणुओं से आसानी से अलग हो जाने वाले) पर कार्य करती हैं और उन्हें गति करने के लिए मजबूर करती हैं। आवेशों की गति से करंट उत्पन्न होता है, जो बदले में एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है।
चित्र तीन
हमने स्वीकार किया है कि विद्युत क्षेत्र रेखाएँ धनात्मक आवेशों से शुरू होती हैं और ऋणात्मक आवेशों पर समाप्त होती हैं। बेशक, वे धनात्मक आवेशों से भी शुरू हो सकती हैं और अनंत पर समाप्त हो सकती हैं; या अनंत पर शुरू होकर ऋणात्मक आवेशों पर समाप्त हो सकती हैं; या बंद लूप बना सकती हैं जो न तो किसी आवेश से शुरू होती हैं और न ही किसी आवेश से समाप्त होती हैं। चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ हमेशा धारा-वाहक कंडक्टरों के चारों ओर बंद लूप बनाती हैं क्योंकि भौतिकी में कोई चुंबकीय आवेश नहीं होता है। कुछ गणितीय सूत्रों में, शक्ति और चुंबकीय स्रोतों से जुड़े समाधानों के बीच द्वैत दिखाने के लिए समतुल्य चुंबकीय आवेश और चुंबकीय धाराएँ पेश की जाती हैं।
दो कंडक्टरों के बीच खींची गई विद्युत क्षेत्र रेखाएँ आवेश के वितरण को दिखाने में मदद करती हैं। यदि हम मानते हैं कि वोल्टेज स्रोत साइनसोइडल है, तो हम उम्मीद करते हैं कि कंडक्टरों के बीच विद्युत क्षेत्र भी साइनसोइडल होगा, जिसकी अवधि स्रोत के बराबर होगी। विद्युत क्षेत्र की ताकत का सापेक्ष परिमाण विद्युत क्षेत्र रेखाओं के घनत्व द्वारा दर्शाया जाता है, और तीर सापेक्ष दिशा (सकारात्मक या नकारात्मक) को इंगित करते हैं। कंडक्टरों के बीच समय-भिन्न विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों की पीढ़ी एक विद्युत चुम्बकीय तरंग बनाती है जो संचरण रेखा के साथ फैलती है, जैसा कि चित्र 3(ए) में दिखाया गया है। विद्युत चुम्बकीय तरंग चार्ज और संबंधित धारा के साथ एंटीना में प्रवेश करती है। यदि हम एंटीना संरचना का हिस्सा हटाते हैं, जैसा कि चित्र 3(बी) में दिखाया गया है, तो विद्युत क्षेत्र रेखाओं (बिंदीदार रेखाओं द्वारा दिखाए गए) के खुले सिरों को "जोड़कर" एक मुक्त-स्थान तरंग बनाई जा सकती है। मुक्त-स्थान तरंग भी आवधिक है, लेकिन स्थिर-चरण बिंदु P0 प्रकाश की गति से बाहर की ओर बढ़ता है और आधे समय में λ/2 (P1 तक) की दूरी तय करता है। एंटीना के पास, स्थिर-चरण बिंदु P0 प्रकाश की गति से तेज़ चलता है और एंटीना से दूर बिंदुओं पर प्रकाश की गति के करीब पहुँच जाता है। चित्र 4 t = 0, t/8, t/4, और 3T/8 पर λ∕2 एंटीना के मुक्त-स्थान विद्युत क्षेत्र वितरण को दर्शाता है।
चित्र 4 t = 0, t/8, t/4 और 3T/8 पर λ∕2 एंटीना का मुक्त स्थान विद्युत क्षेत्र वितरण
यह ज्ञात नहीं है कि निर्देशित तरंगें एंटीना से कैसे अलग होती हैं और अंततः मुक्त स्थान में प्रसारित होने के लिए कैसे बनती हैं। हम निर्देशित और मुक्त स्थान तरंगों की तुलना जल तरंगों से कर सकते हैं, जो शांत जल निकाय में गिराए गए पत्थर या अन्य तरीकों से उत्पन्न हो सकती हैं। एक बार जब पानी में गड़बड़ी शुरू होती है, तो पानी की लहरें उत्पन्न होती हैं और बाहर की ओर फैलना शुरू कर देती हैं। भले ही गड़बड़ी बंद हो जाए, लेकिन लहरें रुकती नहीं हैं बल्कि आगे फैलती रहती हैं। यदि गड़बड़ी बनी रहती है, तो नई तरंगें लगातार उत्पन्न होती हैं, और इन तरंगों का प्रसार अन्य तरंगों से पीछे रह जाता है।
विद्युत गड़बड़ी से उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय तरंगों के लिए भी यही सच है। यदि स्रोत से प्रारंभिक विद्युत गड़बड़ी अल्पकालिक है, तो उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय तरंगें ट्रांसमिशन लाइन के अंदर फैलती हैं, फिर एंटीना में प्रवेश करती हैं, और अंत में मुक्त अंतरिक्ष तरंगों के रूप में विकीर्ण होती हैं, भले ही उत्तेजना अब मौजूद न हो (ठीक वैसे ही जैसे पानी की लहरें और उनके द्वारा उत्पन्न गड़बड़ी)। यदि विद्युत गड़बड़ी निरंतर है, तो विद्युत चुम्बकीय तरंगें लगातार मौजूद रहती हैं और प्रसार के दौरान उनके पीछे-पीछे चलती हैं, जैसा कि चित्र 5 में दिखाए गए द्विध्रुवीय एंटीना में दिखाया गया है। जब विद्युत चुम्बकीय तरंगें ट्रांसमिशन लाइनों और एंटीना के अंदर होती हैं, तो उनका अस्तित्व कंडक्टर के अंदर विद्युत आवेश के अस्तित्व से संबंधित होता है। हालाँकि, जब तरंगें विकीर्ण होती हैं, तो वे एक बंद लूप बनाती हैं और उनके अस्तित्व को बनाए रखने के लिए कोई आवेश नहीं होता है। यह हमें इस निष्कर्ष पर ले जाता है कि:
क्षेत्र के उत्तेजना के लिए आवेश के त्वरण और मंदन की आवश्यकता होती है, लेकिन क्षेत्र के रखरखाव के लिए आवेश के त्वरण और मंदन की आवश्यकता नहीं होती है।
चित्र 5
3. द्विध्रुवीय विकिरण
हम उस तंत्र को समझाने की कोशिश करते हैं जिसके द्वारा विद्युत क्षेत्र रेखाएं एंटीना से अलग हो जाती हैं और मुक्त-अंतरिक्ष तरंगें बनाती हैं, और द्विध्रुवीय एंटीना को एक उदाहरण के रूप में लेते हैं। हालांकि यह एक सरलीकृत स्पष्टीकरण है, यह लोगों को सहज रूप से मुक्त-अंतरिक्ष तरंगों की पीढ़ी को देखने में सक्षम बनाता है। चित्र 6(a) द्विध्रुव की दो भुजाओं के बीच उत्पन्न विद्युत क्षेत्र रेखाओं को दर्शाता है जब विद्युत क्षेत्र रेखाएं चक्र की पहली तिमाही में λ∕4 से बाहर की ओर बढ़ती हैं। इस उदाहरण के लिए, मान लेते हैं कि बनने वाली विद्युत क्षेत्र रेखाओं की संख्या 3 है। चक्र की अगली तिमाही में, मूल तीन विद्युत क्षेत्र रेखाएं एक और λ∕4 (शुरुआती बिंदु से कुल λ∕2) चलती हैं, और कंडक्टर पर चार्ज घनत्व कम होने लगता है। विपरीत आवेशों द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र रेखाएँ 3 हैं और λ∕4 की दूरी तय करती हैं, जिसे चित्र 6(बी) में बिंदीदार रेखाओं द्वारा दर्शाया गया है।
अंतिम परिणाम यह है कि पहली λ∕4 दूरी में तीन नीचे की ओर विद्युत क्षेत्र रेखाएँ हैं और दूसरी λ∕4 दूरी में ऊपर की ओर विद्युत क्षेत्र रेखाओं की समान संख्या है। चूँकि ऐन्टेना पर कोई नेट चार्ज नहीं है, इसलिए विद्युत क्षेत्र रेखाओं को कंडक्टर से अलग होने और एक बंद लूप बनाने के लिए एक साथ जुड़ने के लिए मजबूर किया जाना चाहिए। यह चित्र 6(सी) में दिखाया गया है। दूसरे भाग में, वही भौतिक प्रक्रिया अपनाई जाती है, लेकिन ध्यान दें कि दिशा विपरीत है। उसके बाद, प्रक्रिया दोहराई जाती है और अनिश्चित काल तक जारी रहती है, जिससे चित्र 4 के समान विद्युत क्षेत्र वितरण बनता है।
चित्र 6
एंटेना के बारे में अधिक जानने के लिए कृपया यहां जाएं:
पोस्ट करने का समय: जून-20-2024
