Випромінювання і прийом електромагнітних хвиль
Нерухомі електричні заряди створюють у навколишньому просторі постійне електричне поле, а постійний електричний струм - постійне магнітне поле. Електромагнітне поле, яке поширюється у вільному просторі зі швидкістю світла, збуджується змінним в часі електричним струмом. Випромінювання електромагнітних хвиль здійснюють відкритим коливальним контуром, підключеним до генератора високочастотної е.р.с.
Так як форми відкритого коливального контуру можуть бути різні, то і інтенсивність поля випромінювання може бути різною.
Закритий коливальний контур складається з котушки індуктивності і конденсатора, що виникає в ньому змінне магнітне поле зосереджено головним чином в котушці індуктивності, а змінне електричне поле - між обкладинками конденсатора. Такий контур практично не випромінює електромагнітні хвилі (рис. 1 а).
Перехід від закритого коливального контуру до відкритого показаний на рис. 1. У відкритому коливальному контурі обкладання конденсатора як би зроблені з проводів, які володіють не тільки ємністю, але і ііндуктівностью. Токи, поточні по паралельних дротах (рис. 1 б), расположеіним один від одного на відстані l # 8810; λ. не випромінюють. Це пояснюється тим, що поля двуx рівних за величиною, але протилежно спрямованих паралельних струмів взаємно компенсуються в зовнішньому просторі. Якщо дроти розсунути на деякий кут, то повної компенсації поля не буде.
Вертикально розміщені проводи приймають основну участь у випромінюванні електромагнітних хвиль (рис. 1 в). Пристрій, призначений для випромінювання електромагнітних хвиль, називають передавальною антеною.
Для отримання максимальної потужності випромінювання антена повинна бути нacтроенa в резонанс з частотою е.р.с генератора електромагнітних коливань. Довжина резонансної антени порівнянна з довжиною електромагнітної хвиль. Механізм випромінювання і поширення електромагнітних хвиль пояснюється рис. 2. Відповідно до теорії Максвелла, при наростанні під дією джерела високочастотної е.р.с. струму провідності в антені в навколишньому просторі виникають змінне електричне та магнітне поля.
Змінне в часі електричне поле є струмом зміщення. Струм зміщення і струм провідності складають повний струм. Лінії повного струму завжди повинні бути замкнуті. Це означає, що лінії струму провідності в антені повинні бути замкнуті лініями струму зміщення через простір (рис. 2 а). Магнітні силові лінії в площинах, перпендикулярних осі проводу, мають вигляд концентричних кіл. Через невеликий проміжок часу δt в деякій точці I електричне поле збільшується на ДЕ, а магнітне на? Н. Наростання в точці I електричне поле E1 (струм електричного зміщення) порушить в навколишньому просторі магнітне поле Н, напрямок силових ліній якого в площині, перпендикулярній вектору Е1. має бути вибрано за правилом Ленца, згідно з яким зміни поля E1 (| δЕ1 / δt |> 0) має перешкоджати поле Е2. індуковане магнітним полем Н. Напрямок вектора Е2 має бути протилежно напрямку вектора E1. Поле Е2 послабить поле Е1. але в точці 2 наводиться вектор Е2. приблизно рівний E1. Таким чином, обурення електричного поля в точці I перейде в точку 2 (рис. 2 б).
Аналогічно можна простежити за зміною магнітного поля (рис. 2 б). В результаті фронт електромагнітної хвилі переміститься з точки I в точку 2. Швидкість переміщення фронту хвилі дорівнює швидкості світла.
При цьому відбувається безперервний перехід енергії електричного поля, накопиченої в даній точці простору, в енергію магнітного поля сусідніх точок простору і назад. В цьому проявляється взаємозв'язок електричного і магнітного полів при поширенні електромагнітних хвиль.
Електромагнітні хвилі, що випромінюють передавальною антеною, зустрічаючи на своєму шляху провідники, збуджують в них е.р.с тієї ж частоти, яка частота створює наведену е.р.с електромагнітного поля.
Частина енергії, яку переносять електромагнітні хвилі, передається струмом, що виникають в провідниках. Провідники, які використовуються для прийому енергії, яку переносять електромагнітними хвилями, називають приймальними антенами.
Теорія показує, а досвід підтверджує, що швидкість поширення електромагнітних хвиль залежить від властивостей середовища. Величина швидкості в однорідному середовищі з параметрами ε, μ може бути визначена за формулою
де з = 1 / √ε0 μ0 - швидкість поширення електромагнітної хвилі в вакуумі, швидкість світла у вільному просторі.
Щоб визначити закон зміни електричного і магнітного полів при поширенні електромагнітних хвиль в просторі, між іншим, що у вихідній точці, де знаходиться джерело хвиль (x = 0), поля змінюються відповідно по законам:
В деяку точку, віддалену від джерела на відстань х, хвиля прийде за час δt = x / ν. Отже, в цій точці в один і той же момент часу електричне та магнітне пошя відстають по фазі від електричного і магнітного полів у вихідній точці (х = 0) на кут
δφ = ωδt = ω / ν · x
Таким чином, закони зміни напруженостей полів в розглянутій точці мають вигляд:
E = Em · sin (ωt - δφ) = Em · sin (ωt - ω / ν · x);
H = Hm · sin (ωt - δφ) = Em · sin (ωt - ω / ν · x);
Ці формули описують біжать хвилі. З них випливає, що, з одного боку, у фіксованій точці простору (х = const) електричне та магнітне поля змінюються в часі за синусоїдальним законом, з іншого боку, в фіксований момент часу (t = const) електричне та магнітне поля змінюються в просторі в залежності від х також за синусоїдальним законом (рис. 3). Амплітуди напруженостей електричного і магнітного полів в будь-якій точці простору пов'язані між собою співвідношенням
де ρ - хвильовий опір середовища.
Загалом випадків воно залежить від електромагннтних параметрів середовища і по-різному в різних середовищах. Для провідних середовищ хвильовий опір - комплексна величина.
Хвильовий опір вільного простору
Просторова картина електромагнітної хвилі в певний фіксований момент часу t = t1 (рис. 2) характерна тим, що вектори Е і Н змінюються синфазно у взаємно перпендикулярних площинах E0х і H0х. Крім того, вони лежать в площині х = х0. перпендикулярної напрямку поширення хвилі, і мають в цій площині одну і ту ж фазу. Поверхня, на якій фаза електромагнітної хвилі має одне і те ж значення, називають поверхнею рівних фаз або фронтом хвилі.
Мал. 2. Миттєва картина розподілу напруженості електричного і магнітного полів вздовж напрямку поширення плоскої хвилі. В часі картина поля переміщається в просторі з фазової швидкістю v уздовж осі x.
Відстань, на яке переміщається фронт хвилі за час, що дорівнює одному періоду електромагнітного коливання, називають довжиною хвилі
Використовуючи поверхні рівних фаз, довжину електромагнітної хвилі можна визначити так само, як найкоротша відстань між двома поверхнями рівних фаз, фази яких відрізняються на 2π
Залежно від форми поверхні рівних фаз або фронту хвилі розрізняють плоскі хвилі, циліндричні і сферичні хвилі.
Хвилі, у яких поверхня рівних фаз є площину, називають плоскими хвилями. Хвилі, у яких поверхня рівних фаз є циліндричної або сферичної поверхнею, відповідно називають циліндричними або сферичними хвилями.
Крім того, всі перераховані типи електромагнітних хвиль є поперечними електромагнітними хвилями, так як в них вектори Н і Е осцилюють в напрямках, перпендикулярних до напрямку поширення хвилі.
Перенесення хвилею електромагнітної енергії в просторі характеризується вектором щільності потоку електромагнітної енергії
Набавленіе вектора S збігається з напрямком pacпространенія хвилі, а його величина чисельно дорівнює кількості енергії, що протікає в одиницю часу через одиничну площадку, розташовану перпендикулярно до напрямку поширення хвилі.
Поняття про потік енергії будь-якого виду було вперше введено H. А. умів в 1874 р Формула для вектора S була отримана на підставі рівнянь електромагнітного поля пойнтинга в 1884 р Тому вектор S називають вектором Умова-Пойнтінга.
Середнє значення щільності потоку енергії за період електромагнітних коливань пов'язано з напруженістю електричного поля співвідношенням
Потужністю випромінювання джерела називається величина, що чисельно дорівнює середній кількості енергії, яку втрачає джерело стороннього злектрічеській поля на освіту потоку електромагнітної енергії в одиницю часу крізь замкнену поверхню, що охоплює джерело. У тому випадку, коли гіпотетичний джерело електромагнітного поля знаходиться в центрі сфери радіуса R і рівномірно випромінює на всі боки, його потужність випромінювання
Остання формула може бути застосована для розрахунку щільності потоку енергії, випромінюваної антеною.