Isotropen Kühler

Animationsdiagramm von Wellen aus einem isotropen Kühler (roter Punkt). Wenn sie von der Quelle wegreisen, nehmen die Wellen der Amplitude durch die Umkehrung der Entfernung ab ${\ displayStyle 1/r}$ und in Kraft durch das umgekehrte Abstandsquadrat ${\ displayStyle 1/r^{2}}$, gezeigt durch den abnehmenden Kontrast der Wellenfronten. Dieses Diagramm zeigt nur die Wellen in einer Ebene durch die Quelle; Eine isotrope Quelle strahlt tatsächlich in allen drei Dimensionen aus.

Eine Darstellung eines isotropen Klangkühlers, veröffentlicht in Populärwissenschaft monatlich Im Jahr 1878. Beachten Sie, wie die Ringe gerade und die gleiche Breite um jeden Kreis sind, obwohl sie verblassen, wenn sie sich von der Quelle entfernen.

Ein Isotropen Kühler ist ein theoretisch Punktquelle von elektromagnetisch oder Schallwellen die in alle Richtungen die gleiche Strahlungsintensität ausstrahlt. Es hat keine bevorzugte Strahlungsrichtung. Es strahlt gleichmäßig in alle Richtungen über eine auf der Quelle zentrierte Kugel aus. Isotrope Kühler werden als Referenzkühler verwendet, mit denen andere Quellen verglichen werden, beispielsweise bei der Bestimmung der gewinnen von Antennen. EIN kohärent Der isotrope Kühler elektromagnetischer Wellen ist theoretisch unmöglich, aber inkohärente Kühler können gebaut werden. Ein isotroper Schallkühler ist möglich, weil der Schall a ist Längswelle.

Der nicht verwandte Begriff isotrope Strahlung bezieht nicht Isotrope Strahlung ausstrahlen.

Physik

In der Physik ist ein isotropen Kühler eine Punktstrahlung oder Schallquelle. In Abstand ist die Sonne ein isotropen Kühler der elektromagnetischen Strahlung.

Antenna theory

Im Antenne Theorie, an Isotrope Antenne ist eine hypothetische Antenne, die die gleiche Intensität von ausstrahlt Radiowellen in alle Richtungen. Es soll also eine haben Direktivität von 0 dbi (dB relativ zu isotrop) in alle Richtungen. Da es völlig nicht leitend ist, dient es als hypothetische schlimmste Fälle, gegen die Richtantennen verglichen werden können.

In Wirklichkeit a kohärent isotroper Kühler von Linear Polarisation kann als unmöglich gezeigt werden. Sein Strahlungsfeld konnte nicht mit dem übereinstimmen Helmholtz -Wellengleichung (abgeleitet von Maxwells Gleichungen) in alle Richtungen gleichzeitig. Betrachten Sie eine große Kugel, die die hypothetische Punktquelle umgibt, in der Fernfeld des Strahlungsmusters, so dass bei diesem Radius die Welle über einen vernünftigen Bereich im Wesentlichen planar ist. Im Fernfeld ist das elektrische (und magnetische) Feld einer Ebenewelle im freien Raum immer senkrecht zur Ausbreitung der Welle. Das elektrische Feld müsste also überall tangential an der Oberfläche der Kugel sein und entlang dieser Oberfläche kontinuierlich. Jedoch das haariger Ball Theorem zeigt, dass a kontinuierlich Vektorfeld Tangente auf die Oberfläche einer Kugel muss an einem oder mehreren Punkten auf der Kugel auf Null fallen, was mit der Annahme eines isotropen Kühlers mit linearer Polarisation unvereinbar ist.

Inkohärent Isotrope Heizkörper sind möglich und verletzen die Gleichungen von Maxwell nicht. Akustische isotrope Kühler sind möglich, da Schallwellen in einem Gas oder einer Flüssigkeit sind Longitudinalwellen und nicht Transversalwellen.

Auch wenn eine isotrope Antenne in der Praxis nicht existieren kann, wird sie als Vergleichsbasis zur Berechnung der Direktivität der tatsächlichen Antennen verwendet. Antennengewinn ${\ displayStyle \ scriptstyle g}$, was gleich den Antennen ist Direktivität multipliziert mit dem Antenneneffizienz, ist definiert als das Verhältnis der Intensität ${\ displayStyle \ scriptstyle i}$ (Leistung pro Einheitsbereich) der Funkleistung, die in einem bestimmten Abstand von der Antenne (in Richtung maximaler Strahlung) zur Intensität empfangen wird ${\ displayStyle \ scriptstyle i _ {\ text {iso}}}$ erhalten von einer perfekten verlustfreien isotropen Antenne in derselben Entfernung. Das nennt man isotropes Gewinn

${\ displayStyle g = {i \ over i _ {\ text {iso}}} \,}$

Der Gewinn wird oft in logarithmischen Einheiten ausgedrückt, die genannt werden decibels (DB). Wenn die Gewinn in Bezug auf eine isotrope Antenne berechnet werden, werden diese genannt Dezibel isotrop (DBI)

$oder$

Der Gewinn einer perfekt effizienten Antenne, die in allen Richtungen gemittelt wurde, ist Einheit oder 0 dBI.

Isotropem Empfänger

Im EMF -Messung Anwendungen ist ein isotropen Empfänger (auch als isotrope Antenne bezeichnete) kalibriert Funkempfänger mit einer Antenne, die sich einem isotropen annähert Empfangsmuster; Das heißt, es hat nahezu gleiche Empfindlichkeit gegenüber Funkwellen aus jeder Richtung. Es wird als Feldmessinstrument verwendet, um elektromagnetische Quellen zu messen und Antennen zu kalibrieren. Die isotrope Empfangsantenne wird normalerweise durch drei orthogonale Antennen oder Erfassungsgeräte mit einem Strahlungsmuster der omnidirectional Typ ${\ displayStyle \ sin (\ theta)}}$, wie zum Beispiel kurze Dipole oder klein Schleifenantennen.

Der Parameter, der zur Definition der Genauigkeit in den Messungen verwendet wird isotrope Abweichung.

Optik

In der Optik ist ein isotropen Kühler eine Lichtquelle für Licht. Die Sonne nähert sich einem isotropen Lichtkühler. Bestimmte Munition wie Fackeln und Spreu haben isotrope Kühlereigenschaften. Ob ein Kühler isotrop ist, ist unabhängig davon, ob er folgt Lamberts Gesetz. Als Heizkörper ist ein kugeler schwarzer Körper beides, ein flacher schwarzer Körper ist lambertisch, aber nicht isotrop, ein flaches Chromblatt ist weder und durch Symmetrie ist die Sonne isotrop, aber nicht lambertisch wegen Symmetrie Dunkelheit der Gliedmaßen.

Klang

Ein isotroper Schallkühler ist theoretisch Lautsprecher Ausstrahlung der gleichen Schallvolumen in alle Richtungen. Seit Schallwellen sind Longitudinalwellen, ein kohärenter isotropen Schallkühler ist machbar; Ein Beispiel ist eine pulsierende kugelförmige Membran oder Membran, deren Oberfläche sich mit der Zeit radial ausdehnt und sich mit der Zeit zusammenzieht.^[1]

Ableitung einer Apertur einer isotropen Antenne

Antennen- und Widerstandsdiagramm im Hohlraum

Das Öffnung von einem Isotrope Antenne kann durch ein thermodynamisches Argument abgeleitet werden.^[2][3][4] Angenommen, eine ideale (verlustfreie) isotrope Antenne A befindet sich innerhalb von a Wärmehöhle Ca., ist über einen verlustfreien verbunden Übertragungsleitung durch ein Bandpassfilter F_ν zu einem übereinstimmenden Widerstand R in einer anderen Wärmehöhle Cr (das charakteristische Impedanz Von der Antenne werden Linie und Filter alle übereinstimmen). Beide Hohlräume sind bei der gleichen Temperatur ${\ displayStyle t}$. Der Filter F_ν erlaubt nur durch ein schmales Band von Frequenzen aus ${\ displayStyle \ nu}$ zu ${\ displaystyle \ nu +\ delta \ nu}$. Beide Hohlräume sind mit Schwarzkörperstrahlung im Gleichgewicht mit Antenne und Widerstand gefüllt. Ein Teil dieser Strahlung wird von der Antenne empfangen. Die Menge dieser Macht ${\ displayStyle p _ {\ text {a}}}$ Innerhalb der Frequenzengruppe ${\ displayStyle \ Delta \ nu}$ verleitet durch die Übertragungsleitung und Filter F_ν und wird als Wärme im Widerstand aufgelöst. Der Rest spiegelt sich durch den Filter zurück zur Antenne und wird in den Hohlraum umgeleitet. Der Widerstand erzeugt auch Johnson -Nyquist -Lärm Strom aufgrund der zufälligen Bewegung seiner Moleküle bei der Temperatur ${\ displayStyle t}$. Die Menge dieser Macht ${\ displayStyle p _ {\ text {r}}}$ innerhalb des Frequenzbandes ${\ displayStyle \ Delta \ nu}$ verleitet durch den Filter und wird von der Antenne ausgestrahlt. Da sich das gesamte System auf der gleichen Temperatur befindet, ist es in Thermodynamisches Gleichgewicht; Es kann keine Netto -Stromübertragung zwischen den Hohlräumen geben Zweites Gesetz der Thermodynamik. Daher müssen die Leistungsströme in beide Richtungen gleich sein

${\ displayStyle p _ {\ text {a}} = p _ {\ text {r}}}$

Das Funkgeräusch im Hohlraum ist unpolarisiert, mit einer gleichen Mischung von Polarisation Zustände. Jede Antenne mit einem einzigen Ausgang wird jedoch polarisiert und kann nur einen von zwei orthogonalen Polarisationszuständen erhalten. Zum Beispiel a linear polarisiert Antenne kann keine Komponenten von Funkwellen mit elektrischem Feld senkrecht zu den linearen Elementen der Antenne empfangen. Ähnlich ein Recht zirkular polarisiert Antenne kann keine kreisförmigen polarisierten Wellen empfangen. Daher empfängt die Antenne nur die Komponente der Leistungsdichte S in der Hohlraum, die mit ihrer Polarisation übereinstimmt

${\ displayStyle s _ {\ text {übereinstimmend}} = {1 \ über 2} S}$

Vermuten ${\ displayStyle b _ {\ nu}}$ ist der Spektralstrahlung pro Hertz im Hohlraum; Die Kraft der schwarzen Körperstrahlung pro Einheitsbereich (Meter²) pro Einheit solider Winkel (Steradier) pro Einheit Frequenz (Hertz) bei Frequenz ${\ displayStyle \ nu}$ und Temperatur ${\ displayStyle t}$ im Hohlraum. Wenn ${\ displayStyle a _ {\ text {e}} (\ theta, \ phi)}$ ist die Blende der Antenne, die Leistung im Frequenzbereich ${\ displayStyle \ Delta \ nu}$ Die Antenne erhält aus einem Inkrement des festen Winkels ${\ displayStyle d \ omega = d \ theta d \ phi}$ in die Richtung ${\ displaystyle \ theta, \ phi}$ ist

${\ displayStyle dp _ {\ text {a}} (\ theta, \ phi) = a _ {\ text {e}} (\ theta, \ phi) {1 \ über 2} a _ {\ text {e}} (\ theta, \ phi) b _ {\ nu} \ delta \ nu d \ omega}$

Um die Gesamtleistung im Frequenzbereich zu finden ${\ displayStyle \ Delta \ nu}$ Die Antenne erhält, dies wird in alle Richtungen integriert (ein fester Winkel von ${\ displayStyle 4 \ pi}$))

$oder \ nu d \ Omega}$

Da die Antenne isotrop ist, hat sie die gleiche Blende ${\ displayStyle a _ {\ text {e}} (\ theta, \ phi) = a _ {\ text {e}}}$ in irgendeine Richtung. Die Blende kann also außerhalb des Integrals bewegt werden. Ebenso die Ausstrahlung ${\ displayStyle b _ {\ nu}}$ in der Hohlheit ist in jeder Richtung gleich

$oder$

$oder$

Funkwellen sind in der Frequenz niedrig genug, damit die Rayleigh -Jeans -Formel Gibt eine sehr enge Annäherung an das Blackbody Spectral Radiance^[5]

$oder$

Deswegen

$oder$

Das Johnson -Nyquist -Lärm Leistung, die durch einen Widerstand bei Temperatur erzeugt wird ${\ displayStyle t}$ über einen Frequenzbereich ${\ displayStyle \ Delta \ nu}$ ist

${\ displayStyle p _ {\ text {r}} = kt \ delta \ nu}$

Da sich die Hohlräume im thermodynamischen Gleichgewicht befinden ${\ displayStyle p _ {\ text {a}} = p _ {\ text {r}}}$, Also

$oder$

Siehe auch

• Strahlungsmuster
• E-Ebene und H-Ebene

Verweise

Externe Links

• Isotrope HeizkörperMatzner und McDonald, Arxiv Antennen
• Antennen D.jefferies
• Isotropen Kühler AMS Glossar
• US -Patent 4.130.023 - Methode und Apparat zum Testen und Bewertung der Lautsprecherleistung
• Nicht tödliche Konzepte - Implikationen für die Air Force Intelligence Veröffentlichtes Luft- und Raumfahrt -Power Journal, Winter 1994
• Glossar
• Kosmischer Mikrowellenhintergrund - Einführung
• Isotrope Heizkörper Holon Academic Institute of Technology