Излучение и прием электромагнитных волн

Неподвижные электрические заряды создают в окружающем пространстве постоянное электрическое поле, а постоянный электрический ток - постоянное магнитное поле. Электромагнитное поле, распространяющееся в свободном пространстве со скоростью света, возбуждается переменным во времени электрическим током. Излучение электромагнитных волн осуществляют открытым колебательным контуром, подключенным к генератору высокочастотной э.д.с.

Так как формы открытого колебательного контура могут быть различны, то и интенсивность поля излучения может быть различной.

Закрытый колебательный контур состоит из катушки индуктивности и конденсатора, возникающее в нем переменное магнитное поле сосредоточено главным образом в катушке индуктивности, а переменное электрическое поле - между обкладками конденсатора. Такой контур практически не излучает электромагнитные волны (рис. 1 а).

Схема перехода от закрытого колебательного контура к открытому

Переход от закрытого колебательного контура к открытому показан на рис. 1. В открытом колебательном контуре обкладки конденсатора как бы сделаны из проводов, которые обладают не только емкостью, но и ииндуктивностью. Токи, текущие по параллельным проводам (рис. 1 б ), расположеиным друг от друга на расстоянии l ≪ λ, не излучают. Это объясняется тем, что поля двуx равных по величине, но противоположно направленных параллельных токов взаимно компенсируются во внешнем пространстве. Если провода раздвинуть на некоторый угол, то полной компенсации поля не будет.

Вертикально расположенные провода принимают основное участие в излучении электромагнитных волн (рис. 1 в). Устройство, предназначенное для излучения электромагнитных волн, называют передающей антенной.

Для получения наибольшей мощности излучения антенна должна быть нacтроенa в резонанс с частотой э.д.с генератора электромагнитных колебаний. Длина резонансной антенны соизмерима с длиной электромагнитной волн. Механизм излучения и распространения электромагнитных волн поясняется рис. 2. Согласно теории Максвелла, при нарастании под действием источника высокочастотной э.д.с. тока проводимости в антенне в окружающем пространстве возникают переменное электрическое и магнитное поля.

Механизм излучения и распространения электромагнитных волн

Переменное во времени электрическое поле является током электрического смещения. Ток электрического смещения и ток проводимости составляют полный ток. Линии полного тока всегда должны быть замкнуты. Это означает, что линии тока проводимости в антенне должны быть замкнуты линиями тока смещения через пространство (рис. 2 а). Магнитные силовые линии в плоскостях, перпендикулярных оси провода, имеют вид концентрических окружностей. Через небольшой промежуток времени Δt в некоторой точке I электрическое поле увеличивается на ΔЕ, а магнитное на ΔН. Нарастающее в точке I электрическое поле E1 (ток электрического смещения) возбудит в окружающем пространстве магнитное поле Н, направление силовых линий которого в плоскости, перпендикулярной вектору Е1, должно быть выбрано по правилу Ленца, согласно которому изменению поля E1 (|ΔЕ1/Δt|>0) должно препятствовать поле Е2, индуцированное магнитным полем Н. Направление вектора Е2 должно быть противоположно направлению вектора E1. Поле Е2 ослабит поле Е1, но в точке 2 наводится вектор Е2, примерно равный E1. Таким образом, возмущение электрического поля в точке I перейдет в точку 2 (рис. 2 б).

Аналогично можно проследить за изменением магнитного поля (рис. 2 б). В результате фронт электромагнитной волны переместится из точки I в точку 2. Скорость перемещения фронта волны равна скорости света.

При этом происходит непрерывный переход энергии электрического поля, накопленной в данной точке пространства, в энергию магнитного поля соседних точек пространства и обратно. В этом проявляется взаимосвязь электрического и магнитного полей при распространении электромагнитных волн.

Электромагнитные волны, излученные передающей антенной, встречая на своем пути проводники, возбуждают в них э.д.с той же частоты, какова частота создающего наведенную э.д.с электромагнитного поля.

Часть энергии, которую переносят электромагнитные волны, передается током, возникающим в проводниках. Проводники, которые используются для приема энергии, переносимой электромагнитными волнами, называют приемными антеннами.

Теория показывает, а опыт подтверждает, что скорость распространения электромагнитных волн зависит от свойств среды. Величина скорости в однородной среде с параметрами ε,μ может быть определена по формуле

ν = 1/√εaμa = 1/√ε0μ0 · 1/√εμ = c/1/√εaμa ,

где с = 1/√ε0μ0 - скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, скорость света в свободном пространстве.

Чтобы определить закон изменения электрического и магнитного полей при распространении электромагнитных волн в пространстве, положим, что в исходной точке, где находится источник волн (x = 0), поля изменяются соответственно по законам:

Е = Еm · sin ωt ;

H = Hm · sin ωt.


Здесь Еm и Нm - амплитуды; ωt - фаза; ω = 2π/Т - круговая частота электромагнитной волны.

В некоторую точку, удаленную от источника на расстояние х, волна придет за время Δt = x/ν. Следовательно, в этой точке в один и тот же момент времени электрическое и магнитное пошя отстают по фазе от электрического и магнитного полей в исходной точке (х = 0) на угол

Δφ = ωΔt = ω/ν · x

Таким образом, законы изменения напряженностей полей в рассматриваемой точке имеют вид:

E = Em · sin (ωt - Δφ) = Em · sin (ωt - ω/ν · x);

H = Hm · sin (ωt - Δφ) = Em · sin (ωt - ω/ν · x);

Эти формулы описывают бегущие волны. Из них следует, что, с одной стороны, в фиксированной точке пространства (х = const) электрическое и магнитное поля изменяются во времени по синусоидальному закону, с другой стороны, в фиксированный момент времени (t = const) электрическое и магнитное поля изменяются в пространстве в зависимости от х также по синусоидальному закону (рис. 3). Амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей в любой точке пространства связаны между собой соотношением

Em/Hm = ρ,

где ρ - волновое сопротивление среды.

В общем случав оно зависит от электромагннтных параметров среды и различно в разных средах. Для проводящих сред волновое сопротивление - комплексная величина.

Волновое сопротивление свободного пространства

ρ0 = √μ0ε0 = 120 π , Ом

Пространственная картина электромагнитной волны в некоторый фиксированный момент времени t = t1 (рис. 2) характерна тем, что векторы Е и Н изменяются синфазно во взаимно перпендикулярных плоскостях E и H. Кроме того, они лежат в плоскости х = х0, перпендикулярной направлению распространения волны, и имеют в этой плоскости одну и ту же фазу. Поверхность, на которой фаза электромагнитной волны имеет одно и то же значение, называют поверхностью равных фаз или фронтом волны.

Распределение напряженности электрического и магнитного полей

Рис. 2. Мгновенная картина распределения напряженности электрического и магнитного полей вдоль направления распространения плоской волны. Во времени картина поля перемещается в пространстве с фазовой скоростью v вдоль оси x.

Расстояние, на которое перемещается фронт волны за время, равное одному периоду электромагнитного колебания, называют длиной волны

λ = с Т

Используя поверхности равных фаз, длину электромагнитной волны можно определить так же, как кратчайшее расстояние между двумя поверхностями равных фаз, фазы которых отличаются на 2π

В зависимости от формы поверхности равных фаз или фронта волны различают плоские волны, цилиндрические и сферические волны.

Волны, у которых поверхность равных фаз есть плоскость, называют плоскими волнами. Волны, у которых поверхность равных фаз является цилиндрической или сферической поверхностью, соответственно называют цилиндрическими или сферическими волнами.

Кроме того, все перечисленные типы электромагнитных волн являются поперечными электромагнитными волнами, так как в них векторы Н и Е осциллируют в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны.

Перенос волной электромагнитной энергии в пространстве характеризуется вектором плотности потока электромагнитной энергии

S = E · H , Вт/м2

Набавление вектора S совпадает с направлением pacпространения волны, а его величина численно равна количеству энергии, протекающему в единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны.

Понятие о потоке энергии любого вида было впервые введено H. А. Умовым в 1874 г. Формула для вектора S была получена на основании уравнений электромагнитного поля Пойнтингом в 1884 г. Поэтому вектор S называют вектором Умова-Пойнтинга.

Среднее значение плотности потока энергии за период электромагнитных колебаний связано с напряженностью электрического поля соотношением

Sср = Еm2/2ρ0

Мощностью излучения источника называется величина, численно равная среднему количеству энергии, которую теряет источник стороннего злектрического поля на образование потока электромагнитной энергии в единицу времени сквозь замкнутую поверхность, охватывающую источник. В том случае, когда гипотетический источник электромагнитного поля находится в центре сферы радиуса R и равномерно излучает во все стороны, его мощность излучения

P = 4πR2Sср

Последняя формула может быть применена для расчета плотности потока энергии, излучаемой антенной.

РадиоЭйр.ру рекомендует

Детская одежда Mayoral в интернет-магазине ДетвораШоп

Меню

Спонсоры

Ссылки