Magnetická Smyčková Anténa a Pan Faraday

Postavil jsem si magnetickou smyčkovou anténu, které na počest Jiřího Voskovce říkám Magnetostroj. Pro zimní provoz má oproti dlouhému drátu výhodu v nižším šumu, byť není tak efektivní v příjmu slabých signálů jako dlouhý drát, který ale v zimě spíše lapá nepříjemný pískavý šum než užitečný signál.

- 4 m koaxu na anténu (mě se osvědčuje CNT300, ale není podmínkou)

- 1,5 či 2 m koaxu na připojení vazební smyčky

- 3x F konektor na koax

- 50 ohmovou redukci z F konektoru na BNC

- 2x BNC konektor do panelu

- keramický kondenzátor 10–22 pF

- 80 cm kvalitního tlustého izolovaného měděného drátu

- elektrikářskou čokoládu

- izolovaný drátek

- ladící kondenzátor

- plastovou krabičku s tlustějšími stěnami

- kovový vingl ve tvaru L, pro upevnění kondenzátoru

- malé plastové úchytové kleště

- malou dřevěnou destičku na uchycení čokolády a koaxu

- o něco větší dřevěnou destičku na kterou přišroubujeme krabičku s ladícím kondenzátorem

- náš balun 1:1

- případně náš ladící obvod antény (viz můj předchozí návod)

Bez pana Michaela Faradaye bychom se my radioamatéři mohli jít tak akorát klouzat. Kromě toho že byl skvělým fyzikem a chemikem, byl rovněž výborným pedagogem. Prostřednictvím AI jsem tedy požádal o teoretický výklad přímo jeho.

Jak by Michael Faraday popsal fungování smyčkové antény?

Představme si tedy, jak by to mohl popsat v jedné ze svých proslulých pátečních přednášek v Královském institutu, možná s ukázkovým modelem v ruce:

„Dámy a pánové, představte si, že držíte obyčejný kruh z drátu. Sám o sobě je to jen kovový prstenec. Ale nyní si představte, že celým prostorem kolem nás – ano, i tím zdánlivě prázdným – procházejí neviditelné magnetické silokřivky. Jsou jako paprsky světla, ale patří magnetu nebo, jak jsme objevili, proudu tekoucímu v drátě.

Když přes náš prostor letí elektrická vlna – posel z dálky – nese s sebou dvě neoddělitelné složky: elektrické a magnetické silokřivky, které se vzájemně podporují. Náš dlouhý rovný drát (ukáže na dlouhý drát natažený přes pódium) je vhodný k zachycení té elektrické složky. Ta na něj působí a žene po něm elektrony sem a tam.

Ale náš skromný kruh (zvedne smyčku) – ten je uzavřený! Nedovolí elektrické složce, aby tak snadno vstoupila. Místo toho je to past na magnetické silokřivky! Podívejte se: když magnetická silokřivka letící vlny prochází otvorem mé smyčky, protíná její obvod. A co se stane, když se magnetické silokřivky pohybují přes vodivý obvod? Přesně tak – rodí se v něm elektřina! To je náš zákon indukce.

Můj kruh tedy nepřijímá přímo elektrický příspěvek vlny, ale přeměňuje její magnetický příspěvek na elektrický proud uvnitř sebe. Čím více silokřivek smyčkou projde – čím je vlna silnější nebo je smyčka větší a lépe orientovaná – tím silnější proud v ní vznikne."

A jak by popsal rozdíl od dlouhého drátu?

„Nyní k rozdílu! Představte si dlouhý drát jako hromosvod pro elektrické silokřivky. Je nastaven tak, aby s nimi byl v rezonanci, laděn na jejich rychlé kmitání. Je citlivý na elektrické napětí mezi svým koncem a zemí.

Můj kruh je však něco zcela jiného. Je to citlivý magnetický detektor. Jeho nepřítelem (nebo spíše zdrojem signálu) není elektrické pole, ale rychlost změny magnetického pole uvnitř jeho oblasti. Proto je nutno zdůraznit:

1. Orientace je klíčová: Dlouhý drát chce být rovnoběžný se směrem šíření vlny, aby zachytil elektrickou složku. Můj kruh musí být kolmý k příchozí vlně, aby do něj magnetické silokřivky maximálně vstupovaly. Otočím-li ho o 90 stupňů, signál zmizí!
2. Prostorová selektivita: Smyčka je výborná v odstínění nechtěného elektrického rušení (od jiskřících strojů, blesků). Protože téměř ignoruje elektrická pole a soustředí se zejména na jejich magnetického průvodce. Je to jako naslouchat pouze jednomu hlasu v hluku.
3. Velikost: Dlouhý drát musí být dlouhý – čtvrt, půl nebo celá vlna, aby dobře rezonoval. Můj kruh může být mnohem menší než vlnová délka a stále fungovat, i když s menší účinností. Je to praktické!

Závěrem, vážení přátelé: Dlouhý drát je struna, která rozechvívá elektrické pole. Má smyčka je oko, které vidí a měří magnetické pole. Obojí zachycuje týž paprsek, ale každý jeho jinou stránku. A obojí je možná jen díky jednotě sil, které nazýváme elektřina a magnetismus – nebo lépe, elektromagnetismus."

Faradayův výklad vztahu hlavní a vazební smyčky

„Dámy a pánové, podívejte se na tyto dva kroužky z mědi. Jeden je větší – nazvěme jej hlavní smyčka. Druhý je menší a přiblížíme jej k tomu většímu – to je naše vazební smyčka. Nyní k podstatě:

1. Hlavní smyčka je lovcem silokřivek.
2. Když do prostoru přichází vlna – ten neviditelný poryv elektrické a magnetické síly – prochází její magnetické silokřivky otvorem velké smyčky. Čím je smyčka větší, tím více těchto silokřivek jí může procházet. Tyto měnící se silokřivky vzbuzují v celém obvodu velké smyčky elektrický proud. Ne silný, ale citlivý – je to přesný obraz toho, co vlna nese.
3. Vazební smyčka je poslem.
4. Nyní nastává důmyslný trik! Vložíme-li malou smyčku blízko k té velké, přenášíme sílu nikoli přímým dotykem, ale přes prostor! Elektrický proud tekoucí ve velké smyčce kolem jejího obvodu vytváří své vlastní, druhotné magnetické silokřivky. Tyto silokřivky se šíří i do malé, vazební smyčky.
5. Indukce z druhé ruky.
6. A nyní, stejný zákon! Magnetické silokřivky od velké smyčky, které procházejí otvorem malé smyčky, v ní opět indukují elektrický proud. Je to, jako by velká smyčka šeptala svůj příběh magnetickým polem a malá smyčka jej naslouchala a opakovala.

Proč toto spojení? Proč nepřipojíme drát přímo?

Protože, přátelé, oddělujeme svět od našeho přístroje. Hlavní smyčka visí ve větru a zachycuje vlny. Její obvod by byl katastrofálně ovlivněn, kdybychom k němu přímo připojili kabely – ztratila by svou přirozenou rovnováhu a citlivost. Vazební smyčka je jako dokonalý tlumočník: bere energii bez dotyku, převádí ji a my pak můžeme z této malé smyčky vést kabely, kam potřebujeme, aniž bychom rušili jemnou práci té velké.

Analogie: Dvě harfy.

Představte si dvě harfy postavené blízko sebe. Když rozezníte strunu na první, velké harfě, její vibrace se přes vzduch přenesou a rozezní stejně naladěnou strunu na druhé, menší harfě. Hlavní smyčka je ta první harfa, vázaná na vlnu z dálky. Vazební smyčka je ta druhá harfa, vázaná na tu první. Energie se přenáší rezonancí přes pole, ne přímým mechanickým spojením.

V čem je kouzlo tohoto uspořádání, pane Faradaye?

„V izolaci a vyladění! Velkou smyčku můžeme vyladit na příchod určité vlny tím, že změníme její elektrické vlastnosti (dnes bychom řekli přidáme ladící kondenzátor). Malá smyčka pak může být vyladěna k té velké tak, aby přenos byl nejsilnější. A hlavně – oddělujeme nebeský signál od pozemského šumu našich přístrojů.“

Z ladícího kondenzátoru nám stačí použít pouze část jeho celkové kapacity, tj. 270 pF, takže spolu připájíme jen jeho rotorové vodiče a jednu část statorových vodičů také připájíme k sobě. Multimetrem vyzkoušíme, zda nemá stator ani rotor někde kontakt, aby se kondenzátor nevyzkratoval. Na zbylý statorový vodič při pájíme krokosvorku, pokud bychom později chtěli snížit frekvenční práh.

Vezmeme krabičku na potraviny s tlustšími stěnami. Na dvou stranách si vyměříme místo na BNC konektory do panelu a vyvrtáme pro ně vrtačkou otvory. Je dobré si místo, kde budeme vrtat, podložit kusem dřeva. K signálnímu vodiči obou BNC konektorů i k zemnícím kolečkům připájíme drátky. Vyměříme si podle velkosti ladícího kondenzátoru v přední části krabičky otvor pro ladící kondenzátor. A otvor pomocí vrtačky vyvrtáme a kondenzátor do krabičky umístíme tak, že jej pomocí vázacích drátů připevníme ke dnu krabičky. Krabičku podložíme kusem dřeva a přivrtáme ji k němu vruty. Zezadu kondenzátor upevníme malým elkovým vinglem, který raději zaizolujeme elektrikářskou páskou. GND i signální vodič jednoho BNC konektoru, připájíme k rotoru ladícího kondenzátoru, GND i signální vodič druhého BNC konektoru připájíme k jeho statoru. Koax hlavní smyčky zde neplní funkci koaxu, ale magnetické smyčky. Na ladící kondenzátor přimontujeme ladící kolečko a krabičku zavřeme. Na náš čtyřmetrový koax z každé strany přimontujeme BNC konektory.

Ideálním průměrem vazební smyčky je 1/5 průměru hlavní smyčky.

Vezmeme 80 cm tlustšího izolovaného měděného drátu, ze kterého uděláme kruh. Oba konce namontujeme do elektrikářské čokolády do jejích opačných konců přimontujeme gnd a signální vodič koaxu, který bude tvořit náš svod signálu balunu 1:1. K druhému konci koaxu přimontujeme BNC konektor. Koax hlavní smyčky pověsíme na garnýž nad oknem a rádio dáme k oknu nebo někam poblíž. Připravíme si předem vyrobený stojan na který pevně, ale odnímatelně připevníme krabičku s ladícím kondenzátorem, do které připojíme BNC konektory naší magnetické smyčky. Je dobré čokoládu přivrtat k dřevěné destičce a pevně zajistit elektrikářskou páskou. Dále si připravíme naše malé plastové úchytové kleště, ke kterým pevně přivážeme horní část naší vazební smyčky. Ty potom podle vzdálenosti koaxu magnetické smyčky od garnýže, buď přicvakneme na koax, nebo na garnýž. Vazební smyčku provázky (ne dráty!) z obou stran přivážeme k magnetické smyčce, aby k ní byla co nejrovnoběžnější a udržela se tak v jením magnetickém poli. Svod koaxu připevníme ke stojanu krabičky s ladícím kondenzátorem tak, aby to pomohlo vazební smyčku dále vycentrovat.

Až budete upravovat anténu za provozu, tak až budete stát na štaflích či židli, nelekněte se. V magnetické smyčce je určité napětí, které můžete při manipulaci s ní vnímat jako jemné kopnutí, ale rozhodně menší než od statické elektřiny ze svetru. Může vás to ale trochu rozhodit.

Pokud signál při testování antény kolísá, je možné dát mezi jeden BNC konektor magnetické smyčky a rotor ladícího kondenzátoru paralelně k původnímu vodiči keramický 10–22 pF kondenzátor, který stabilizuje příjem, bez toho, aby přidal nežádoucí množství šumu.

Jelikož jde ladícím kondenzátorem antény vyladit signál jen zhruba, bude se nám hodit i náš ladící obvod z mého předchozího návodu, který připojíme za balun 1:1. (Pokud chceme být v potlačování rušení ještě akurátnější, můžeme mezi vstupní konektor balunu a feritové jádro přidat pásmovou zádrž proti harmonickým resonančním duchům z FM pásma.) Jelikož jde ze svodu našeho Magnetostroje signál již s takovým poměrem elektrické a magnetické složky, se kterým již pracovat dovedeme, můžeme daný signál dále doladit. V podstatě tím nahrazujeme jemné ladění rádia, kterým žel můj superheterodyn nedisponuje. Večerní pořady si tak můžeme vychutnat v dobré kvalitě.