Кто-нибудь может объяснить физику работы такой антенны?

На радиолюбительском сайте http://www.cqham.ru прозвучал вопрос: «Кто-нибудь может объяснить физику работы такой антенны?» Вот такой компактной антенны с названием Isotron, способной работать и на приём, и на передачу: 

Isotron — торговая марка коротковолновой антенны, продаваемой небольшой американской фирмой Bilal Co. Она имеет очень компактные размеры, средненькие характеристики, а главное невысокий КПД. Низкий КПД антенны связан с её конструктивными особенностями, а также с тем, что её изготовитель (и он же продавец) очень плохо представляет себе работу ёмкостных антенн. 

Фактически, антенна Isotron есть повторение конструкции ёмкостной антенны образца прошлого века, которая была описана советским радиолюбителем в журнале «РАДИО ВСЕМ» в №9 за 1928 год:

Эта конструкция антенны с решётчатыми излучающими пластинами также обладала низким КПД, так как и её автор тоже плохо представлял себе физику работы передающей антенны. 

А если быть совсем точным, то радиоинженеры и радиолюбители всего мира (за исключением сербского гения Николы Тесла) в течение многих десятилетий были сбиты с толку вот таким представлением об излучателе радиоволн в виде открытого колебательного контура (это представление было сформировано самим Генрихом Герцем, создателем первой в мире рукотворной установки, излучавшей радиоволны):

Изображение справа собственно и есть прототип антенны Isotron.

В теории предполагалось, если раздвигать пластины плоского конденсатора, то интенсивность излучения электромагнитных волн в окружающее пространство будет возрастать, а сам колебательный контур из закрытого превратится в открытый колебательный контур.

Как потом выяснилось, в этой теории "открытого излучающего колебательного контура" содержалась принципиальная ошибка, точнее глубокое заблуждение.  И породил эту ошибку сам создатель "Электромагнитной теории света" Джеймс Клерк Максвелл. Создавая свою теорию, он банально перепутал виды конденсаторов! Как часто бывает, думал про одно, а описал другое! 

Есть конденсаторы, состоящие из двух параллельных пластин, электрическая ёмкость которых тем выше, чем ближе друг к другу располагаются пластины и чем больше их площадь. Электрические заряды накапливаются в них на внутренних сторонах пластин, обращённых друг к другу. Это справедливо для случая, когда в качестве изолятора между пластинами конденсатора находится воздух.

Также существуют однополюсные накопители электростатических зарядов, с которыми мы все знакомы со школьных уроков физики. Обратите внимание, электрические заряды накапливаются на наружной поверхности таких однополюсных накопителей:

На этом рисунке представлен школьный опыт: перенос электростатического заряда с заряженного тела на электрометр. 

В качестве заряжаемого и разряжаемого тела может выступать абсолютно любой изолированный предмет: в том числе металлический шар (как на рисунке) или металлический стержень или даже кусок проволоки любого размера!

Вот собственно почему по поверхности незамкнутых проводников (!) от одного конца к другому вообще может протекать электрический ток! Это электростатический ток! И он может быть или импульсным, или переменным. 

Осмыслите это, господа инженеры! 

Электростатический ток отличается от гальванического тока высокой подвижностью зарядов, так как они всегда располагаются на наружной поверхности заряжаемых тел. Только в силу этого обстоятельства такой высокоскоростной ток и может порождать радиоволны! Что собственно и происходит во всех передающих антеннах.

Мне осталось сказать читателю, что движение электростатического тока по незамкнутым проводникам, обусловленное действием Кулоновских сил, и есть тот пресловутый ТОК СМЕЩЕНИЯ, который открыл в 1865 году математическим путём Джеймс Клерк Максвелл, автор "Электромагнитной теории света". Правда Максвелл, будучи великим теоретиком, не сумел разобраться на практике, к какому виду конденсаторов ему следует отнести этот ТОК СМЕЩЕНИЯ! Шотладский учёный отнёс его к обычному двухполюсному конденсатору, и получилось в его теории, что, когда мы имеем дело с переменным электрическим током, то между пластинами двухполюстного конденсатора, прямо через воздушный зазор, может протекать некий ТОК СМЕЩЕНИЯ. 

Из студенческой курсовой работы (взято из Интернета):

На основании этого предположения: ТОК СМЕЩЕНИЯ может протекать между пластинами конденсатора при переменном токе в электрической цепи, Максвелл сделал другое предположение: такой же ТОК СМЕЩЕНИЯ может возникать и в светоносной среде — эфире, и в следствие этого можно предположить, что свет являет собой поперечные волны электромагнитной природы, распространяющиеся в эфире! Эти гипотетические поперечные волны электромагнитной природы, по предположению Максвелла, движет в пространстве со скоростью света именно ТОК СМЕЩЕНИЯ! Почему Максвелл так думал? Очевидно, потому что незадолго до этого он вычислил математическим путём, что скорость движения электрического тока по проводам равна скорости света.

Через 14 лет после открытия радиоволн Генрихом Герцем (он, кстати, изучал тогда как раз токи в незамкнутых цепях), единственным учёным и инженером, который смог разобраться в истинной природе радиоволн и в силах, их образующих, был Никола Тесла. В 1914 году Тесла запатентовал в США (заявка на патент была подана в 1902 году) вот такую конструкцию установки для беспроводной передачи электрической энергии:

Как видим, излучателем высокочастотной электрической энергии у Теслы служил установленный на высокой деревянной опоре электростатический накопитель грибовидной формы, который запитывался через уникальный высокочастотный трансформатор, служивший одновременно генератором электростатического тока (ещё одно изобретение Теслы) . 

Можно сказать так: создавая свою установку даже не для радиосвязи, а для высокоэффективной беспроводной передачи электрической энергии на расстояния в сотни миль (а это было намного сложнее и круче, чем просто передавать сообщения с помощью азбуки Морзе), Никола Тесла знал, что радиоволны порождаются исключительно поверхностными токами, вызванными высокоскоростным движением электростатических зарядов. 

И если сегодня это осознАют все радиолюбители и все инженеры, создающие радиопередающие антенны, то им станет понятно, что рассматривать представляемый вот таким образом открытый колебательный контур в качестве излучателя радиоволн неправильно! 

Им станет понятно, что конструировать вот такие ёмкостные антенны, надеясь на их высокий коэффициент полезного действия, тоже большая ошибка! 

Если не осмыслить то, что я написал выше, то глядя и на чертёж этой антенны, конечно же, нельзя понять, почему такое расположение ёмкостных излучающих пластин неправильное, и такая антенна ни при каких обстоятельствах не будет иметь высокий КПД.

Причина, повторюсь, этих конструктивных ошибок в неправильном понимании условий образования радиоволн на поверхности ёмкостных излучателей! 

Авторы подобных конструкций никак не могут отойти в своём сознании от устройства работы обычного двухполюсного конденсатора с воздушным диэлектриком, у которого электрические заряды накапливаются не на наружной поверхности, а на внутренней, в зазоре между пластинами. 

Лишь в конце ХХ века (в 1996 году) в США нашёлся инженер, Тед Харт (Ted Hart), который, прочитав ряд работ Теслы, догадался, что классическая теория, преподаваемая повсеместно, неправильная, что ёмкостные излучатели правильнее всего располагать не параллельно друг другу, а торцами друг к другу, чтобы возникающая между ними электрическая ёмкость, присущая двухполюстному конденсатору (в данном случае она паразитная!), была наименьшей!

Как результат, у него родились вот такие конструкции высокоэффективных (причём малогабаритых!) передающих антенн, с КПД близким к 100%, которые Тед Харт назвал в силу их особенностей ЕН-антеннами.

В этой антенне (рисунок вверху), рассчитанной для работы на 30-метровом диапазоне, использованы плоские ёмкостные излучатели, расположенные торцами друг другу, для уменьшения возникающей между ними паразитной ёмкости. КПД такой антенны при её точной настройке и хорошем согласовании с передатчиком может достигать 98%!

Ниже конструкция антенны (на любой радиодиапазон) с цилиндрическими ёмкостными излучателями, которые также расположены торцами друг к другу, для уменьшения возникающей между ними паразитной ёмкости. КПД такой антенны при её точной настройке и хорошем согласовании с передатчиком также может достигать 98%! При том, что её размеры могут в 20-40 раз быть меньше размера классического полуволнового вибратора Герца!

Каждый цилиндр здесь (помечен оранжевым цветом) работает как однополюсный накопитель электростатических зарядов. Соответственно, при заряде или разряде этих однополюсных накопителей, электростатические заряды с большой скоростью текут по их наружной поверхности под действием Кулоновских сил. Причём скорость движения электростатических зарядов по чистой поверхности металла происходит со скоростью, сопоставимой со скоростью света!

На концепцию ЕН-антенн Тэду Харту выдано три патента, при этом  она не согласуется с классической теорией, описанной в учебниках.

Одним из первых в России, кто стал на практике исследовать работу ЕН-антенн и научился их настраивать (причём только после получения консультаций от самого Теда Харта) стал Владимир Васильевич Кононов, недавно издавший небольшую книжицу "ТАЙНЫ ЁМКОСТНЫХ АНТЕНН".

Самую большую тайну этих ёмкостных антенн я уже рассказал выше. Их принцип работы элементарен и очень даже прост для понимания, если не зацикливаться на той теории, содержащей множество ошибок, которую нам всем вбивали в голову на протяжении более 100 лет.

В заключение скажу, что все резонансные антенны, как бы они ни назывались, ёмкостными или магнитными, или ещё как-то, и какой бы хитрый конструктив у них ни был, большие по размеру или укороченные в десятки раз по сравнению с диполем, всенаправленные или узконаправленные, имеют один и тот же принцип действия — в них во всех радиоизлучение порождают непосредственно электроны, субатомные частицы, образующие электронные оболочки всех без исключения атомов химических элементов. Причём согласно квантовой теории света, созданной в середине ХХ века, электроны порождают радиоволны и свет (а также рентгеновское и прочие излучения) только когда они теряют энергию, то есть, исключительно на стадии своего торможения.   

Исходя из этого факта, мы должны понимать, что любая радиопередающая антенна — это в буквальном смысле разгонное поле (аэродром) для электронов, на котором они сначала разгоняются до высоких скоростей, а затем с такой же силой тормозятся под действием переменного синусоидального напряжения. Причём сила разгона электронов и сила их торможения для каждой частоты электромагнитного излучения своя, и она прямопропорционально частоте, как это установил ещё в 1905 году для волн видимого и инфракрасного света немецкий учёный Макс Планк. 

Если в ЕН-антеннах электроны не выходят на критические параметры разгона и торможения, они не излучают радиоволны, а лишь порождают вокруг антенны сильные электрическое и магнитное поля. Радиолюбители фиксируют их возле антенны с помощью, например, неоновой лампы, и никак не могут понять, почему резонанс напряжения или тока есть, а излучения нет. Почему нет, я уже написал выше. Чтобы заставить ЕН-антенну работать (вывести на рабочие параметры), надо иметь специальный прибор, который называется "векторный анализатор антенны". 

Более подробно я рассказал про работу электронов в своей книге "Что есть истина в науке о природе?"

Приложение: книга Теда Харта (W5QJR) "Введение в ЕН Антенны". (Перевод В.Кононова).

24 июля 2020 г. Мурманск. Антон Благин