A linha de transmissão de fio simples - Single-wire transmission line
Uma linha de transmissão de fio único (ou método de fio único ) é um método de transmissão de energia eléctrica ou de sinais usando apenas um único condutor eléctrico. Isto está em contraste com a utilização habitual de um par de fios que fornecem um circuito completo, ou um cabo eléctrico da mesma forma contendo (pelo menos) dois condutores para o efeito.
A linha de transmissão de fio único não é o mesmo que o retorno à terra-fio único sistema, que não é coberta neste artigo. O último sistema baseia-se numa corrente de retorno através do solo , usando a terra como um segundo condutor entre os eléctrodos terminais chão. Deste modo, a terra forma efectivamente um segundo condutor. Numa linha de transmissão de fio único não existe um segundo condutor de qualquer forma.
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História
Tão cedo quanto década de 1780 Luigi Galvani observada pela primeira vez o efeito de electricidade estática em causar as pernas de uma rã a contrair-se, e observado o mesmo efeito produzido apenas devido a certas contactos metálicos com a rã envolvendo um circuito completo. Este último efeito foi corretamente entendida por Alessandro Volta como uma corrente elétrica, inadvertidamente, produzido por que viria a ser conhecida como uma célula voltaica (bateria). Ele entendeu que tal uma corrente necessário um circuito completo para conduzir a eletricidade, embora a natureza real de correntes elétricas não estava em tudo entendido (somente um século mais tarde seria o elétron ser descoberto). Todo o desenvolvimento subsequente de motores eléctricos, luzes, etc. baseou-se no princípio de um circuito completo, envolvendo geralmente um par de fios, mas, por vezes, usando o chão como o segundo condutor (como com comercial telégrafo ).
No final do século 19, Nikola Tesla demonstraram que usando uma rede eléctrica sintonizado a ressonância foi possível transmitir energia eléctrica utilizando apenas um único condutor, sem a necessidade de um fio de retorno. Isto foi falado de como a "transmissão de energia elétrica através de um fio sem retorno".
Em 1891, 1892, e 1893 palestras de demonstração com osciladores elétricos antes do AIEE no Columbia College, NYC, o IEE, em Londres, o Instituto Franklin, Filadélfia e Associação Nacional de Luz Eléctrica, St. Louis, foi mostrado que os motores elétricos e única lâmpadas incandescentes-terminais pode ser operado através de um único condutor sem um fio de retorno. Embora, aparentemente, falta um circuito completo, tal topologia obtém efetivamente um circuito de retorno em virtude da carga de auto-capacitância e capacitância parasita .
Assim, as bobinas das dimensões adequadas pode ser ligado cada um com apenas uma das suas extremidades, para a corrente eléctrica a partir de uma máquina de baixa CEM e, embora o circuito da máquina não seria fechada na aceitação comum do termo , no entanto, a máquina pode ser queimado, se um efeito de ressonância adequada seria obtido.
A referência final para "queimar" uma máquina era enfatizar a capacidade de um tal sistema para transmitir um grande poder dado a devida correspondência de impedância , como pode ser obtido através elétrica ressonância .
Teoria
Esta observação foi reencontrada várias vezes, e descrito, por exemplo, na patente de 1993. Transmissão de fio simples neste sentido não é possível utilizando corrente directa e totalmente impraticáveis para baixo de frequência correntes alternadas , tais como as frequências de linha de energia convencionais 50-60 Hz. A frequências muito elevadas, no entanto, é possível para o circuito de retorno (o que normalmente seria ligado através de um segundo fio) para utilizar o auto-e capacitância parasita de um grande objecto condutor, talvez o alojamento da carga em si. Embora a auto-capacitância do mesmo grandes objectos é bastante pequena em termos comuns, como Tesla se apreciado que é possível a ressonância que capacitância usando um suficientemente grande indutor (dependendo da frequência utilizada), no caso em que a grande reactância de que capacitância é anulados. Isto permite que uma grande corrente de fluxo (e uma grande energia a ser fornecida para a carga), sem a necessidade de uma fonte extremamente alta tensão. Embora este método de transmissão de energia tem sido entendida, não está claro se houve qualquer aplicação comercial deste princípio para a transmissão de energia .
guias de onda único condutor
Tão cedo como 1899, Arnold Sommerfeld publicado um papel prever a utilização de um condutor cilíndrico único (de arame) para propagar frequência rádio de energia como uma onda de superfície . "Wave wire" de Sommerfeld foi de interesse teórico como um modo de propagação, mas esta foi décadas antes que a tecnologia existe para a geração de frequências suficientemente altas de rádio para qualquer experimentação, muito menos aplicações práticas. Além do mais, a solução descrita uma linha de transmissão infinita sem levar em conta a energia de acoplamento em (ou fora)-lo.
De particular interesse prático, porém, era a previsão de um sinal substancialmente mais baixa atenuação comparado com a utilização do mesmo fio como o condutor central de um cabo coaxial . Contrariamente à explicação anterior do completo estar potência transmitida devido a uma corrente clássica através de um fio, neste caso, as correntes no condutor si são muito mais pequenas, com a energia transmitida sob a forma de uma onda electromagnética ( ondas de rádio ). Mas neste caso, a presença do fio age para orientar essa onda em direção a carga, em vez de irradiar distância.
A redução de perdas óhmicas comparação com a utilização coaxial (ou outras linhas de transmissão de dois fios) é especialmente uma vantagem em frequências mais altas, onde estas perdas tornar-se muito grande. Em termos práticos, o uso deste modo de transmissão abaixo de freqüências de microondas é muito problemática devido aos padrões de campo muito estendidas ao redor do fio. Os campos associados com a onda de superfície ao longo do condutor são significativos para diversos diâmetros de condutores, por conseguinte, metálico ou mesmo materiais dieléctricos inadvertidamente presentes nessas regiões irá distorcer a propagação do modo e, tipicamente, irá aumentar a perda de propagação. Embora não haja nenhuma dependência do comprimento de onda para esta dimensão na direcção transversal, na direcção de propagação é necessário para ter um mínimo de uma meia onda de comprimento do condutor para suporte completo o modo de propagação. Por estas razões, e a frequências disponíveis antes de cerca de 1950, as desvantagens práticas de transmissão tal ultrapassado completamente a perda reduzida devido à condutividade finita do fio.
linha Goubau
Em 1950, Georg Goubau revisited descoberta de um modo de onda de superfície ao longo de um fio de Sommerfeld, mas com a intenção de aumentar a sua funcionalidade. Um objetivo principal era reduzir a extensão dos campos ao redor do condutor de modo que tal fio não exigiria uma exageradamente grande folga. Outro problema foi que a onda de Sommerfeld propagadas exactamente à velocidade da luz (ou a velocidade ligeiramente mais baixa da luz no ar, para um fio rodeado por ar). Isso significava que não haveria perdas de radiação . O fio linear actua como uma antena de fio longo , roubando a energia irradiada a partir do modo guiado. Se a velocidade de propagação pode ser reduzida abaixo da velocidade da luz, em seguida, os campos circundantes tornar-se evanescente , e são, portanto, incapaz de propagar a energia para fora da área em torno do arame.
Goubau investigado o efeito benéfico de um fio cuja superfície é estruturada (em vez de um cilindro exacto), tal como seria obtido usando um fio de rosca. Mais significativamente, Goubau propôs a aplicação de uma camada dieléctrica em torno do arame. Mesmo uma camada bastante fina (em relação ao comprimento de onda) de um dieléctrico vai reduzir a velocidade de propagação suficientemente abaixo da velocidade da luz, eliminando perdas por radiação a partir de uma onda de superfície ao longo da superfície de um fio linear longa. Esta modificação também tinha o efeito de reduzir grandemente a pegada dos campos electromagnéticos em torno do fio, dirigindo-se a outra preocupação prática.
Finalmente, Goubau inventado um método para o lançamento (e a receber) de energia eléctrica a partir de uma tal linha de transmissão. A linha Goubau patenteado (ou "L-line") consiste de um único condutor revestido com um material dieléctrico. Em cada extremidade é um grande disco com um furo no centro através da qual passa a linha de transmissão. O disco pode ser a base de um cone, com a sua extremidade estreita ligado tipicamente para o escudo da linha de alimentação coaxial , e da própria linha de transmissão de ligação para o condutor central do cabo coaxial.
Mesmo com a extensão reduzida das áreas circundantes no design do Goubau, um tal dispositivo só se torna prático em UHF frequências e acima. Com o desenvolvimento tecnológico no terahertz frequências, onde as perdas metálicos são ainda maior, a utilização da transmissão por meio de ondas de superfície e linhas Goubau parece promissora.
E-Line
De 2003 a 2008 patentes foram registradas para um sistema usando o fio originais nua (não revestido) de Sommerfeld, mas empregando um lançador semelhante ao desenvolvido por Goubau. Foi promovido sob o nome de "E-Line" através de 2009. Assim, a velocidade de onda resultante não é reduzido por um revestimento dieltrico ou condicionado especial do condutor como prescrito como necessário para não radiação por Goubau para G-Line. Esta linha é reivindicado para ser completamente não-radiante, propagação de energia por meio de uma onda não reconhecida anteriormente transversal magnético (TM). A aplicação pretendida, neste caso, é particularmente elevado para a criação de canais de informação de taxa, utilizando linhas de energia já existentes para fins de comunicação. Este tem sido proposto para a transmissão de frequências a partir de abaixo de 50 MHz a 20 GHz acima utilizando pré-existentes condutores de energia individuais ou multifilar gerais.
Enquanto Goubau-linha, o que requer um condutor tendo uma superfície condicionado dieléctrico ou especial exterior provida para reduzir a velocidade da onda sobre o condutor, tem sido desde há muito conhecido, este modo mais geral transversal magnético (TM) não tem essa limitação. E-Line é semelhante ao Goubau-linha na sua utilização de lançadores de pares para e a partir de uma propagação de onda radialmente simétrica no espaço em torno de um único condutor, mas diferente na medida em que pode operar em condutores livre de isolamento, incluindo aqueles que são polidas e completamente unfeatured. A velocidade de propagação da onda não é reduzida e é essencialmente a de uma onda que se desloca na mesma forma na ausência de qualquer condutor de todo. Além disso, lançadores práticos não precisam de ter uma secção transversal que é uma grande porção de um comprimento de onda. Energia associada com a onda está confinada a uma região determinada pelo diâmetro e geometria do condutor em vez do comprimento de onda do sinal de propagação. O Iniciador tem um ponto de corte de baixa frequência limitado pelo comprimento lançador ao longo do condutor.
O comportamento de um tal sistema é independente da frequência de operação, mas é dependente de detalhes do condutor de alimentação e o seu ambiente. "Um outro condutor próximo do que a própria linha pode proporcionar um ponto de terminação e, assim, reduzir a energia acoplada para dentro da onda TM". (Isto tem relevância para 1891-1893 table-top manifestações de Tesla.) Tal como para qualquer linha de transmissão, a frequências muito elevadas, o aumento das perdas do condutor de metal, apesar da vantagem obtida usando o modo de onda de superfície, são aumentadas, no entanto, porque condutor as perdas são inversamente proporcional ao quadrado da impedância de linha, este modo pode conseguir perdas muito mais baixas, não mais do que uns poucos por cento de uma linha coaxial de 50 ohm tendo o mesmo condutor central. Os efeitos das torneiras de linha, curvas, isoladores e outras deficiências normalmente encontrados em sistemas de distribuição de energia têm sido descritas como "previsível e controlável". Dependendo destes factores, a resultante perda de inserção , juntamente com a sensibilidade de alimentação e receptor transmitida, irá determinar a distância máxima atingida por um tal sistema. Como sistemas CATV, um aumento do caminho de comunicações de ponta a ponta pode ser obtido através da utilização de repetidores .
Para tirar vantagem das linhas existentes, os elementos do lançador cónicas são construídos com uma ranhura através do cone, de modo que eles podem ser facilmente montado sobre uma linha de energia existente (em vez de ter de ser enfiado através do cone). Os sistemas podem empregar um dispositivo de lançamento de apenas 15-20 cm de diâmetro a partir de HF superior através de comprimentos de onda milímetros enquanto o lançamento tem comprimento suficiente ao longo do condutor. Geralmente estruturas de pelo menos um quarto de comprimento de onda são necessários longos. Um longo lançador de um metro com uma abertura 10 cm pode proporcionar menos de 2 dB de perda de inserção de 130 MHz através de muitos GHz. Os sistemas construídos desta forma podem proporcionar tanto a transferência de energia significativa por exemplo fornece potência motriz para helicópteros eléctricos que actuam como aeróstatos, ao mesmo tempo que proporcionam baixa ligação da linha de transmissão de perda de peso leve, antenas de alta altitude.