जब यह आता हैएंटेनालोगों को सबसे ज़्यादा चिंता इस बात की है कि "वास्तव में विकिरण कैसे प्राप्त होता है?" सिग्नल स्रोत द्वारा उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र ट्रांसमिशन लाइन से होते हुए एंटीना के अंदर कैसे फैलता है, और अंततः एंटीना से "अलग" होकर एक मुक्त अंतरिक्ष तरंग कैसे 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।
चित्र 1
कुल आवेश Q, आयतन V में, z दिशा में एकसमान चाल Vz (मी/सेकेंड) से 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 वीजेड （2）
जहाँ qs पृष्ठीय आवेश घनत्व है। यदि तार बहुत पतला है (आदर्श रूप से, त्रिज्या 0 है), तो तार में प्रवाहित धारा को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:
इज़ = क्यूएल वीज़ेड (3)
जहाँ ql (कूलम्ब/मीटर) प्रति इकाई लम्बाई पर आवेश है।
हम मुख्यतः पतले तारों से संबंधित हैं, और निष्कर्ष उपरोक्त तीनों स्थितियों पर लागू होते हैं। यदि धारा समय-परिवर्तित है, तो समय के सापेक्ष 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, विकिरण उत्पन्न करने के लिए, आवेश में समय-परिवर्तित धारा या त्वरण (या मंदन) होना आवश्यक है। हम आमतौर पर धारा का उल्लेख समय-आवर्तित अनुप्रयोगों में करते हैं, और आवेश का उल्लेख प्रायः क्षणिक अनुप्रयोगों में किया जाता है। आवेश त्वरण (या मंदन) उत्पन्न करने के लिए, तार को मुड़ा हुआ, मोड़ा हुआ और असंतत होना चाहिए। जब आवेश समय-आवर्तित गति में दोलन करता है, तो यह आवर्ती आवेश त्वरण (या मंदन) या समय-परिवर्तित धारा भी उत्पन्न करेगा। इसलिए:
1) यदि आवेश गति नहीं करेगा तो कोई धारा और कोई विकिरण नहीं होगा।
2) यदि आवेश स्थिर गति से चलता है:
क. 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 क्रियाविधि की गुणात्मक समझ एक खुले तार से जुड़े स्पंदित स्रोत को देखकर प्राप्त की जा सकती है, जिसे उसके खुले सिरे पर एक भार के माध्यम से भूसम्पर्कित किया जा सकता है, जैसा कि चित्र 2(d) में दिखाया गया है। जब तार को प्रारंभिक रूप से ऊर्जा दी जाती है, तो स्रोत द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र रेखाओं द्वारा तार में आवेश (मुक्त इलेक्ट्रॉन) गतिमान हो जाते हैं। चूँकि आवेश तार के स्रोत सिरे पर त्वरित होते हैं और उसके सिरे पर परावर्तित होने पर मंदित (मूल गति के सापेक्ष ऋणात्मक त्वरण) होते हैं, इसलिए उसके सिरों पर और तार के शेष भाग के अनुदिश एक विकिरण क्षेत्र उत्पन्न होता है। आवेशों का त्वरण एक बाह्य बल स्रोत द्वारा होता है जो आवेशों को गति प्रदान करता है और संबंधित विकिरण क्षेत्र उत्पन्न करता है। तार के सिरों पर आवेशों का मंदन प्रेरित क्षेत्र से संबद्ध आंतरिक बलों द्वारा होता है, जो तार के सिरों पर संकेंद्रित आवेशों के संचय के कारण होता है। जैसे-जैसे तार के सिरों पर आवेश का वेग शून्य होता जाता है, आंतरिक बल आवेश के संचय से ऊर्जा प्राप्त करते हैं। इसलिए, विद्युत क्षेत्र उत्तेजना के कारण आवेशों का त्वरण और तार प्रतिबाधा की असंततता या चिकने वक्र के कारण आवेशों का मंदन विद्युत चुम्बकीय विकिरण उत्पन्न करने की क्रियाविधि हैं। यद्यपि मैक्सवेल के समीकरणों में धारा घनत्व (Jc) और आवेश घनत्व (qv) दोनों ही स्रोत पद हैं, आवेश को एक अधिक मौलिक राशि माना जाता है, विशेष रूप से क्षणिक क्षेत्रों के लिए। यद्यपि विकिरण की यह व्याख्या मुख्यतः क्षणिक अवस्थाओं के लिए प्रयुक्त होती है, इसका उपयोग स्थिर-अवस्था विकिरण की व्याख्या के लिए भी किया जा सकता है।
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2. दो-तार विकिरण
एक वोल्टेज स्रोत को एक एंटीना से जुड़ी दो-चालक संचरण लाइन से जोड़ें, जैसा कि चित्र 3(a) में दिखाया गया है। दो-तार वाली लाइन पर वोल्टेज लगाने से चालकों के बीच एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता है। विद्युत क्षेत्र रेखाएँ प्रत्येक चालक से जुड़े मुक्त इलेक्ट्रॉनों (जो परमाणुओं से आसानी से अलग हो जाते हैं) पर कार्य करती हैं और उन्हें गति करने के लिए बाध्य करती हैं। आवेशों की गति से धारा उत्पन्न होती है, जो बदले में एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है।
चित्र तीन
हमने यह स्वीकार किया है कि विद्युत क्षेत्र रेखाएँ धनात्मक आवेशों से शुरू होकर ऋणात्मक आवेशों पर समाप्त होती हैं। बेशक, वे धनात्मक आवेशों से शुरू होकर अनंत पर भी समाप्त हो सकती हैं; या अनंत से शुरू होकर ऋणात्मक आवेशों पर समाप्त हो सकती हैं; या ऐसे बंद लूप बना सकती हैं जो न तो किसी आवेश से शुरू होते हैं और न ही किसी आवेश पर समाप्त होते हैं। चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ हमेशा धारावाही चालकों के चारों ओर बंद लूप बनाती हैं क्योंकि भौतिकी में कोई चुंबकीय आवेश नहीं होता। कुछ गणितीय सूत्रों में, शक्ति और चुंबकीय स्रोतों से संबंधित समाधानों के बीच द्वैत को दर्शाने के लिए समतुल्य चुंबकीय आवेशों और चुंबकीय धाराओं का प्रयोग किया जाता है।
दो चालकों के बीच खींची गई विद्युत क्षेत्र रेखाएँ आवेश के वितरण को दर्शाने में सहायक होती हैं। यदि हम मान लें कि वोल्टता स्रोत ज्यावक्रीय है, तो हम यह अपेक्षा करते हैं कि चालकों के बीच विद्युत क्षेत्र भी ज्यावक्रीय होगा और उसका आवर्तकाल स्रोत के आवर्तकाल के बराबर होगा। विद्युत क्षेत्र की प्रबलता का सापेक्ष परिमाण विद्युत क्षेत्र रेखाओं के घनत्व द्वारा दर्शाया जाता है, और तीर सापेक्ष दिशा (धनात्मक या ऋणात्मक) दर्शाते हैं। चालकों के बीच समय-परिवर्तनशील विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों की उत्पत्ति एक विद्युत चुम्बकीय तरंग बनाती है जो संचरण रेखा के अनुदिश संचरित होती है, जैसा कि चित्र 3(a) में दर्शाया गया है। विद्युत चुम्बकीय तरंग आवेश और संगत धारा के साथ एंटीना में प्रवेश करती है। यदि हम एंटीना संरचना के एक भाग को हटा दें, जैसा कि चित्र 3(b) में दर्शाया गया है, तो विद्युत क्षेत्र रेखाओं (बिंदीदार रेखाओं द्वारा दर्शाए गए) के खुले सिरों को "जोड़कर" एक मुक्त-अंतराल तरंग बनाई जा सकती है। मुक्त-अंतराल तरंग भी आवर्ती होती है, लेकिन स्थिर-कला बिंदु P0 प्रकाश की गति से बाहर की ओर गति करता है और आधे समय में λ/2 (P1 तक) की दूरी तय करता है। ऐन्टेना के पास, स्थिर-कला बिंदु P0 प्रकाश की गति से तेज़ गति से चलता है और ऐन्टेना से दूर स्थित बिंदुओं पर प्रकाश की गति के करीब पहुँच जाता है। चित्र 4, t = 0, t/8, t/4, और 3T/8 पर λ∕2 ऐन्टेना 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 किसी शांत जल निकाय में गिराए गए पत्थर या अन्य तरीकों से उत्पन्न हो सकती हैं। एक बार जब जल में विक्षोभ शुरू होता है, तो जल तरंगें उत्पन्न होती हैं और बाहर की ओर प्रसारित होने लगती हैं। यदि विक्षोभ रुक भी जाए, तो तरंगें रुकती नहीं हैं, बल्कि आगे प्रसारित होती रहती हैं। यदि विक्षोभ बना रहता है, तो नई तरंगें लगातार उत्पन्न होती रहती हैं, और इन तरंगों का प्रसार अन्य तरंगों से पिछड़ जाता है।
विद्युत विक्षोभों से उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय तरंगों के लिए भी यही बात सत्य है। यदि स्रोत से प्रारंभिक विद्युत विक्षोभ अल्पकालिक है, तो उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय तरंगें संचरण लाइन के अंदर प्रसारित होती हैं, फिर एंटीना में प्रवेश करती हैं, और अंततः मुक्त आकाश तरंगों के रूप में विकीर्ण होती हैं, भले ही उत्तेजना अब मौजूद न हो (जल तरंगें और उनके द्वारा उत्पन्न विक्षोभ की तरह)। यदि विद्युत विक्षोभ निरंतर है, तो विद्युत चुम्बकीय तरंगें निरंतर मौजूद रहती हैं और संचरण के दौरान उनके ठीक पीछे चलती हैं, जैसा कि चित्र 5 में दर्शाए गए द्विशंकु एंटीना में दिखाया गया है। जब विद्युत चुम्बकीय तरंगें संचरण लाइनों और एंटीना के अंदर होती हैं, तो उनका अस्तित्व चालक के अंदर विद्युत आवेश की उपस्थिति 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। इससे हम इस निष्कर्ष पर पहुँचते हैं 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 क्रियाविधि को समझाने का प्रयास करते हैं जिसके द्वारा विद्युत क्षेत्र रेखाएं एंटीना से अलग होकर मुक्त-स्थान तरंगें बनाती हैं, और उदाहरण के तौर पर द्विध्रुवीय एंटीना लेते हैं। यद्यपि यह एक सरलीकृत व्याख्या है, यह लोगों को सहज रूप से मुक्त-स्थान तरंगों की उत्पत्ति को देखने में सक्षम भी बनाती है। चित्र 6(a) द्विध्रुव की दो भुजाओं के बीच उत्पन्न विद्युत क्षेत्र रेखाओं को दर्शाता है जब विद्युत क्षेत्र रेखाएं चक्र के पहले चौथाई भाग 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 के अगले चौथाई भाग में, मूल तीन विद्युत क्षेत्र रेखाएं एक और λ∕4 (शुरुआती बिंदु से कुल λ∕2) चलती हैं, विपरीत आवेशों द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र रेखाएँ 3 हैं और λ∕4 की दूरी तय करती हैं, जिसे चित्र 6(b) में बिंदीदार रेखाओं द्वारा दर्शाया गया है।
अंतिम परिणाम यह है कि पहली λ∕4 दूरी पर तीन अधोमुखी विद्युत क्षेत्र रेखाएँ हैं और दूसरी λ∕4 दूरी पर उतनी ही संख्या में ऊर्ध्वमुखी विद्युत क्षेत्र रेखाएँ हैं। चूँकि ऐन्टेना पर कोई नेट आवेश नहीं है, इसलिए विद्युत क्षेत्र रेखाओं को चालक से अलग होने और आपस में मिलकर एक बंद लूप बनाने के लिए बाध्य होना पड़ता है। यह चित्र 6(c) 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 देखें:
पोस्ट करने का समय: 20 जून 2024
