Solución:
De hecho es pueden ser una antena muy buena. No busque más allá de las radios de transistores y los receptores de banda AM. En esos ubicuos bienes de consumo, la antena consistía en una pieza de ferrita de muy baja pérdida con una permitividad muy alta. Este estaba envuelto en muchos amperios * vueltas de alambre de cobre muy fino. La alta permitividad le dio a las antenas un área de sección transversal efectiva -debido a la permitividad- (si mal no recuerdo) de una milla cuadrada más o menos, elevando así el tamaño eléctrico de la antena a las dimensiones de la longitud de onda que estaba recibiendo.
Desde un punto de vista técnico, se podría considerar que las antenas interactuaban con la parte del campo magnético del vector de Poynting radiante.
La fuerza del campo A una distancia del inductor es de vital importancia. Si el inductor está bien protegido, con un campo cero en el espacio cercano, entonces no actuará como una antena. Obviamente.
Entonces, ¿cómo podemos maximizar el campo distante de un inductor y crear una buena antena de radio? Bueno, primero deberíamos preguntarnos sobre la distancia involucrada. ¿El campo debe ser fuerte a qué distancia particular del inductor? La respuesta: 1/4 de longitud de onda. Este es un valor algo “mágico” que se sale de la física de las ondas EM viajeras que interactúan con objetos conductores. Si el campo a 1/4 de longitud de onda del inductor es insignificante, entonces el inductor está protegido electromagnéticamente para esa frecuencia. Pero si el campo es significativo a esa distancia, entonces el inductor puede funcionar como una antena.
Animación de YT: campos que rodean una antena
¿Por qué 1/4 de longitud de onda? Arriba hay una animación de MPG del curso de introducción a E&M en MIT. Examine la animación con atención. Se aplica CA a la pequeña bobina en el centro, y manchas de líneas de campo circulares cerradas vuelan como ondas EM. Pero muy cerca de la ubicación de la bobina, el patrón de campo no vuela hacia afuera. En cambio, simplemente se está expandiendo y colapsando. Cerca de nuestra antena-bobina, el campo se asemeja al de un simple electroimán. Se expande más a medida que aumenta la corriente de la bobina, y colapsa hacia adentro cuando la corriente disminuye. Pero a gran distancia de la bobina, el patrón actúa de manera muy diferente y simplemente se mueve hacia afuera continuamente. ¿Dónde cambia el comportamiento del campo? A una distancia de longitud de onda de 0,25. A una distancia de 1/4 de onda, las líneas de campo se “estrechan” en una forma momentánea de reloj de arena, luego se sueltan y vuelan hacia afuera como círculos cerrados oblongos.
El volumen de espacio dentro de una distancia de 1/4 de onda de la bobina se llama Región de campo cercano y exhibe los patrones de campo de expansión / contracción de un inductor simple. A mayor distancia, en la región de Farfield, los campos se comportan solo como radiación EM viajera.
Más animaciones del MIT ver especialmente la última
La forma más sencilla de garantizar que el campo sea fuerte a una distancia de 1/4 de longitud de onda es construir un inductor que actúe como un electroimán dipolo. Pero haga un electroimán donde sus polos magnéticos estén separados aproximadamente a media longitud de onda. Cómprese una varilla de ferrita de 1/2 onda de largo, luego use esa varilla como núcleo inductor. Aún más simple: simplemente enrolle su inductor como una bobina de aro con un radio de aproximadamente 1/4 de onda.
Otra forma de hacer que el campo sea fuerte a una distancia de 1/4 de onda es usar un inductor muy pequeño, pero aumentar la corriente del inductor a un valor mucho más alto. En este caso, incluso una bobina muy pequeña podría emitir mucha radiación EM. Pero esto trae problemas prácticos: las bobinas pequeñas son antenas ineficientes debido al calentamiento de los cables. Si la mayor parte de la potencia de su transmisor se destina a crear una inmensa corriente y calor en la antena, en lugar de emitir ondas EM, se agotará la batería (o recibirá grandes facturas de la compañía eléctrica). situación, entonces no se necesita una torre de 1/4 de longitud de onda. Una antena de cuadro pequeña funcionará bien y puede ser mucho más pequeña que el diámetro de 1/2 onda.
En cuanto a las radios AM portátiles y sus bobinas de antena relativamente pequeñas, en ese caso usamos algo más “mágico” para aumentar la corriente de la bobina. Si se emplea un inductor como parte de un resonador LC paralelo, siempre que se active con una pequeña señal, la corriente en el bucle LC resonante aumentará a un valor muy alto. Absorbe las ondas electromagnéticas entrantes y la corriente de la bobina aumenta progresivamente. Su crecimiento solo está limitado por la resistencia del cable, y si la resistencia es lo suficientemente baja, entonces está limitado solo por las pérdidas por emisión EM. Una bobina de resistencia cero, en resonancia, puede hacer crecer sus campos circundantes hasta que la intensidad de campo a una distancia de 1/4 de onda del inductor sea tan grande como la intensidad de campo de las ondas EM entrantes. En estas condiciones, la pequeña bobina se comporta “eléctricamente grande”, como un absorbente EM de aproximadamente 1/2 onda de diámetro. (Tenga en cuenta que en el extremo inferior de la banda AM a 550 KHz, ¡el diámetro de media onda es de aproximadamente 900 pies!)
A diferencia de otros receptores, en las radios portátiles de banda AM hay dos condensadores de sintonización separados: uno para el oscilador local que forma parte del sistema de receptor superhet y otro que está conectado en paralelo a la bobina de la antena con núcleo de ferrita. Tenga en cuenta que la resonancia LC solo es necesaria cuando la antena de cuadro tiene un radio mucho menor que 1/4 de longitud de onda. Las antenas de bucle convencionales “eléctricamente grandes” no necesitan este condensador; ya tienen el tamaño adecuado para su longitud de onda operativa, y un condensador de sintonización adicional empeoraría las cosas.
Aquí hay otra versión de todo el tema.
¡Un transformador no es un par de antenas de bucle!
Por ejemplo, tome un transformador de núcleo de aire de una pulgada de ancho que funcione a 60 Hz. A medida que alejamos la bobina secundaria de la primaria, la conexión inductiva entre ellas cae rápidamente a cero. Esto sucede porque el patrón de campo que rodea la bobina primaria es idéntico al de un imán dipolo … y la intensidad de flujo de los dipolos desciende como 1 / r ^ 3. Aumente la distancia primaria-secundaria en 1000x, y el flujo en la bobina secundaria es mil millones de veces más débil.
Bien, ahora aumente la frecuencia de excitación, pero use un generador de señal de corriente constante para mantener la corriente de la bobina primaria igual que antes. Al principio no sucederá nada extraño. Su transformador funciona igual en una amplia gama de frecuencias. Pero a una frecuencia extremadamente alta, de repente aparecen nuevos efectos extraños. La bobina primaria, un inductor puro, de repente parece desarrollar una resistencia interna y comienza a perder energía. ¡Sin embargo, la bobina no se calienta! La energía se está escapando de alguna manera. Y de repente, el valor del flujo que recibe la bobina secundaria comienza a aumentar. Tus dos bobinas ya no son un transformador. Se han convertido en un par de antenas de radio: antenas de bucle. Incluso descubrirá que los condensadores distantes (pares de electrodos separados) ahora han comenzado a captar el campo de la bobina primaria. La fuerza del patrón de campo ya no cae como 1 / r ^ 3, sino que es más como una fuente de luz y cae con la distancia como 1 / r ^ 2. ¿Con qué frecuencia ocurrió todo esto? ¡Adivinar! 🙂
PD
Veo que el Dr. Belcher del MIT ha portado esos mpegs originales a Youtube. Aquí hay tres vistas de una antena de radio básica:
- Cerca: inductor simple, el campo se expande y se contrae
- Medio: inductor radiante, el campo se desprende y se va volando
- Lejos: las ondas electromagnéticas fluyen hacia afuera desde una antena
Y esto es lo que sucede cuando de repente separamos una bola de médula cargada positivamente de una negativa.
Cuando fabrica un inductor tradicional, está tratando de minimizar el inductancia de fuga. Al hacerlo, intenta que la mayor parte del campo magnético corte las vueltas de cable cercanas. Un inductor toroidal es particularmente bueno para mantener su campo para sí mismo.
La parte de “fuga” es la que se irradia al espacio, sin ser capturada por la bobina. Esto se considera una “pérdida”, en lo que respecta a la bobina. Cuando haces una antena, estás intentando maximizar esta fuga, porque tu querer que irradie al espacio.