Електромагнітні хвилі випромінюються провідником, по якому проходить струм високої частоти. У провіднику, зігнутому у вигляді петлі (рис. 3.4, а), струми I в двох його половинах спрямовані в протилежні сторони. Електромагнітні хвилі, створювані цими струмами, протилежні по фазі, і якщо відстань між проводами мало в порівнянні з довжиною хвилі, то ці хвилі будуть в просторі взаємно знищуватися. Отже, провід у вигляді петлі не випромінює електромагнітні хвилі. Те ж можна сказати про коливальному контурі (рис. 3.4, 6).
Закритий коливальний контур не випромінює електромагнітних коливань, так як електричне поле зосереджено в основному в конденсаторі і струми зміщення в діелектрику замикаються найбільш коротким шляхом - між його обкладинками. Магнітне поле зосереджено в основному в котушці.
Якщо розсунути обкладання конденсатора і розгорнути з'єднувальні дроти в пряму лінію (рис. 3.4, в), то струми в цих проводах матимуть однаковий напрямок. Такий контур називається відкритим, він може випромінювати електромагнітні хвилі.
Мал. 3.4. Напрямки струмів в елементах коливального контуру:
а - петлевий елемент проводи, які не випромінює електромагнітні хвилі; б - замкнутий коливальний контур; в - розімкнутий коливальний контур; г - прямолінійний елемент дроти, що випромінює електромагнітні хвилі; д - елемент індуктивного зв'язку
Збільшення випромінювання електромагнітних хвиль можна отримати, якщо витягнути дріт котушки в пряму лінію і замість обкладок конденсатора для створення необхідної ємності застосувати дроти достатньої довжини (рис. 3.4, г). Тоді напрямок струмів у всіх елементах дроти буде один і той же, т. Е. Електромагнітні коливання в усіх частинах дроти будуть відбуватися в однакових фазах і випромінювання стане найбільшим. Таким чином, відкритий контур в найпростішому випадку являє собою прямолінійний провід. Практично ж в ньому залишають невелику котушку для індуктивного зв'язку з генератором високої частоти передавача і з виборчим зусиллям радіоприймача, на вході якого, як правило, включається коливальний контур (рис. 3.4, д).
Всякий провід володіє власними індуктивністю і ємністю, розподіленими по його довжині, а тому є своєрідним коливальним контуром. На схемі рис. 3.5, а в положенні 1 перемикача П обидві половини дроти заряджаються від батареї Б. Після перекладу перемикача в положення 2 електрони будуть рухатися уздовж дроту в напрямку від нижньої його половини до верхньої, а потім у зворотному напрямку, тобто в проводі виникнуть вільні затухаючі коливання. Окремі фази коливального процесу в проводі зображені на рис. 3.5, 6. У верхній частині малюнка показано розподіл електричного і магнітного полів, а в нижній - графік зміни струму і напруги в антені.
Мал. 3.5. Схема для збудження вільних коливань у відкритому
контурі і коливальний процес в ньому:
а - еквівалентна схема коливального контуру; б - схеми, що пояснюють колебатель-
ний процес в контурі; в - силові лінії магнітного і електричного полів
Напругою в будь-якій точці антени прийнято називати різницю потенціалів між цією точкою і точкою, розташованої симетрично на іншій половині дроти. Графік струму показує також зміна напруженості магнітного поля, а графік напруги - зміна напруженості електричного поля.
У початковий момент (точка 0 на рис. 3.5. 6) провід має потенційну енергією електричного поля зарядів, зосереджених в його верхній і нижній половинах. Різниця потенціалів має максимальну величину, а струму поки немає. При русі зарядів уздовж дроту струм зростає, а напруга зменшується, і енергія електричного поля переходить в кінетичну енергію магнітного поля, створюваного струмом. Через чверть періоду електричне поле замінюється магнітним. У момент (точка 1 на рис. 3.5, 6) струм досягає максимуму, а напруга дорівнює нулю. Потім струм і магнітне поле зменшується, в результаті чого виникає ЕРС самоіндукції, яка підтримує рух електронів, і провід перезаряджається. Енергія переходить з магнітного поля в електричне і т.д. У проміжні моменти одночасно існують електричне та магнітне поля. Електричне і магнітне поля є вздовж дроти, причому магнітне поле найбільш сильне в середині дроти, де струм найбільшої величини, а на кінцях дроти струм дорівнює нулю і магнітне поле відсутнє.
Струми зміщення у відкритому коливальному контурі замикаються через навколишній простір, віддаляючись на значну відстань від своїх джерел (заряд на дроті). Тому змінне електричне поле, створене струмами зміщення, яка досягла певного віддалення від проводу, може втратити зв'язок з ним (відірватися). При цьому лінії струму зміщення будуть замикатися самі на себе, тобто утворюється синусоидальное змінне електричне поле, що створює змінне магнітне поле, яке, в свою чергу, створює електричне поле, і т. д. (рис. 3.5, а). Виникає хвильової процес. Електромагнітні хвилі, які не пов'язані зі своїми джерелами (вільні хвилі), поширюються в просторі. Таким чином, випромінювання можливо завдяки кінцевої швидкості поширення електромагнітних хвиль, внаслідок чого фаза поля в точці, що знаходиться на деякій відстані від випромінювача, відстає від фази свого джерела. Чим більше частота коливань напруги живлення, тим легше відбувається процес випромінювання.
Якщо в проводах відкритого контуру і в безпосередній близькості (відстань, менше довжини хвилі) магнітне поле зрушено на 90 про по відношенню до електричного поля, то за межами цієї відстані вільні магнітне і електричне поля знаходяться в фазі, так як освіта одного неможливо без іншого.
Відкритий контур у вигляді прямолінійного проводу, в якому можуть відбуватися електричні коливання, називають симетричним вібратором або просто вібратором (диполем). Щоб електричні коливання були незатухающими, його з'єднують з генератором (Ген) індуктивним зв'язком (див. Рис. 3.4, д).
У найпростішому випадку антенний пристрій для довгих, середніх, а іноді коротких хвиль може бути виконано так, як показано на рис. 3.6. Над землею на деякій висоті (чим вище, тим ефективніше випромінювання) підвішується антена - провід або система проводів, що грає роль однієї обкладки конденсатора. Другий обкладанням є земля або другий провід - противагу, підвішений невисоко над землею.
Вібратор є головною частиною антен, що працюють на коротких і ультракоротких хвилях.
Потужність випромінюваних електромагнітних хвиль розраховується за формулою
де Ia - струм в пучности вібратора; Різлі - опір випромінювання вібратора, величина якого становить 73-80 Ом.
Мал. 3.6. Антенний пристрій із заземленням (а) і противагою (б)
Опір випромінювання вібратора визначається як
де l - довжина провідника антени; l - довжина електромагнітної хвилі.
Поширюються від вібратора електромагнітні хвилі завжди мають певну поляризацію, тобто електричні і магнітні силові лінії у них розташовуються у відповідних площинах.
На рис. 3.7 наведено графічне зображення радіохвиль у вигляді двох синусоїд, розташованих у взаємно перпендикулярних площинах. Вектори електричного поля Е розташовані у вертикальній площині, а вектори магнітного поля Н - в горизонтальній, причому ці вектори перпендикулярні вектору П. званому вектором Умова -Пойнтінга. Напрямок вектора П збігається з напрямком поширення електромагнітних хвиль, а його довжина в прийнятому масштабі відповідає кількості електромагнітної енергії, яку переносять радіохвилі:
У міру віддалення від випромінюючої антени щільність потоку енергії радіохвилі зменшується:
де r - відстань від випромінювання.
Частота власних коливань відкритого контуру залежить від ємності і індуктивності дроти. Можна вважати, що кожен метр дроту має ємність близько 5 пФ і індуктивність близько 2 мкГн. Довшому проводу відповідають великі ємність і індуктивність, а отже, і менша частота (і велика довжина електромагнітної хвилі) власних коливань антени.
Мал. 3.7. Графічне зображення електромагнітної хвилі
Так як електромагнітна хвиля проходить уздовж провідника антени за напівперіод певну відстань, то довжина проводу відкритого контуру збігається з цим відстанню і розраховується як
де l - довжина електромагнітної хвилі.
Це ж випливає з розподілу струму і напруги в антені. Отже, довжина радіохвилі дорівнює
Максимальна потужність, яку випромінює антеною, може бути досягнута за умови рівності частоти генератора і частоти власних коливань відкритого контуру (антени). Саме з цієї причини радіостанції, що працюють в діапазоні довгих хвиль, потребують довгих антенах.
На практиці для подовження електромагнітної хвилі власних коливань антени в неї послідовно включають котушку, що рівносильно збільшенню довжини проводу (рис. 3.8, а). Послідовно включений в антену конденсатор викличе скорочення власної довжини електромагнітної хвилі антени, так як при послідовному включенні ємностей загальна ємність зменшується (рис. 3.8, 6).
Для заземленою антени довжина радіохвилі складе
З урахуванням впливу землі і навколишніх предметів довжина радіохвиль складе
Мал. 3.8. Схеми подовження (а) і укорочення (б) довжин радіохвиль власних
коливань антен (Lсв - котушка зв'язку)
На проходження електромагнітних хвиль, використовуваних для зв'язку на земній поверхні, впливають рельєф поверхні землі і електричні властивості грунту, а також властивості самих нижніх шарів атмосфери (тропосфери) і верхніх іонізованих шарів атмосфери (іоносфери). Тропосфера - це шар атмосфери висотою до 16 км, що примикає до поверхні землі, і з деяким допущенням приймається за діелектрик без втрат. Втрати можуть бути за рахунок переміщення молекул (інгредієнтів), що володіють електричними і магнітними моментами. Втрати збільшуються на надвисоких частотах при дощі і тумані.
Іоносфера розташовується на висоті близько 60 км від поверхні землі і простягається до висоти 600 км. Ступінь іонізації іоносфери сильно залежить від впливу ультрафіолетових променів сонця. Між тропосферою і іоносферою знаходиться стратосфера.
Радіохвилі від передавальної антени досягають іоносфери і відбиваються від неї. При зустрічі непрозорих перешкод електромагнітні хвилі прагнуть огинати їх. Це явище називають дифракцією. Чим довше електромагнітна хвиля, тим сильніше позначається дифракція. Радіохвилі, що поширюються по поверхні земної кулі, що огинають його внаслідок дифракції, називають земними радіохвилями (поверхневими). Радіохвилі, що поширюються навколо земної кулі завдяки однократному або багаторазовому відбиттю від іоносфери, називають просторовими або іоносферними.
Якби земля була ідеально плоскою і володіла високою електропровідністю, а повітря було ідеальним діелектриком, радіохвилі поширювалися б в цьому повітряному діелектрику, відбиваючись від поверхні землі, як від екрану, не проникало в глиб її. Але так як земля не є ідеальним провідником, то силові лінії радіохвиль частково проникають в неї і утворюють там струми, в результаті чого виникають втрати енергії на нагрівання грунту.
Крім того, радіохвилі поглинаються твердими діелектриками, напівпровідниками і провідниками при зустрічі з ними. Поглинання радіохвиль провідником пояснюється тим, що електромагнітна хвиля надає руху електрони провідника і створює в ньому струм високої частоти. На освіту цього струму і витрачається електромагнітна енергія радіохвилі. Якщо електромагнітна хвиля рухається уздовж провідника, то поглинання енергії набагато менше. Тому над проводить поверхнею, наприклад водою, залізничними рейками, радіохвилі поширюються далі, ніж над сухою землею.
При поширенні радіохвилі (особливо в містах) поглинаються не тільки землею, але і металевими дахами, залізобетонними спорудами і іншими електропровідними спорудами. Радіохвилі при зустрічі з електропровідними тілами здатні відбиватися. Фізичний сенс відображення радіохвиль полягає в тому, що падаюча радіохвиля створює в поверхневому шарі відображає тіла струми, які дають випромінювання нових, тобто відображених радіохвиль.
Таким чином, радіохвилі, що розповсюджуються від передавальної антени до приймальні, слабшають по потужності через поглинання землею, поглинання і відображення іншими перешкодами.
Відповідно до міжнародного регламентом радіозв'язку радіохвилі займають смугу електромагнітних частот від 3 * 10 3 до 30 * 10 12 Гц і діляться на дев'ять діапазонів (табл. 3.1).
Радіохвилі довжиною від 10 до 1 км називають довгими хвилями (ДВ), від 1 км до 100 м - середніми (СВ), від 100 до 10 м - короткими (КВ), менше 10 м - ультракороткими (УКВ).
Довгі хвилі мають поверхневе поширення. гідністю довгих хвиль є те, що дальність їх дії протягом дня і ночі, літа й зими змінюється мало. Зв'язок на довгих хвилях знаходить обмежене застосування, так як для зв'язку на великі відстані потрібні потужні радіопередавачі. Крім того, в діапазоні довгих хвиль неможлива одночасна робота великого числа радіостанцій.
Ультракороткі хвилі широко використовуються в радіозв'язку, телебаченні, радіолокації радіонавігації, в тому числі в радіозв'язку Пожежної охорони. Ці хвилі, як правило, не відбиваються від іоносфери. Тому зв'язок на них здійснюється тільки за рахунок поверхневої хвилі. для радіозв'язку в УКХ-діапазоні необхідно забезпечення прямої видимості між передавальної і приймальні антенами. Дальність радіозв'язку на поверхні землі становить 40 - 60 км і зростає з підйомом антен. Вплив атмосферної рефракції (викривлення шляху поширення радіохвиль в неоднорідному середовищі повітря) Приводить до помітного збільшення прямої видимості і, отже, до збільшення дальності радіо зв'язку.
Сантиметрові і міліметрові хвилі застосовуються в радіорелейного зв'язку, радіолокації і для інших спеціальних цілей. Вони поширюються практично прямолінійно і сильно поглинаються вологою середовищем.