Излучение и особенности электромагнитных волн

Министерство  образования и науки Республики Казахстан

Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева

Физико-технический  факультет

Кафедра Радиотехники, электроники и телекоммуникаций

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему

«Излучение  и особенности электромагнитных волн»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Кекубаева С.С.

Группа РЭТ – 34

Проверила: Канымгазиева И.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АСТАНА 2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ.……………………………………………………………………….....…3

1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ГИПОТЕЗА МАКСВЕЛЛА ….……….….….4

1.1 Скорость распространения электромагнитных волн………………………….…6

 

1.2 Энергия, переносимая  электромагнитной волной ………………………………6

1.3 Диполь Герца …………………………………………………………………...….7

2 ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ  ВОЛН …...….……………...8

2.1 Открытый колебательный  контур …………………………….………………….8

2.2 Механизм распространения  электромагнитных волн …………………………..9

2.3 Пространственная картина электромагнитной волны. Вектор Пойнтинга …..10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.……………………………… ……………………………………...12

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..………… ……………………...13

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Электромагнитные волны – электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. Электромагнитной волной называют распространяющееся электромагнитное поле.

Существование электромагнитных волн было предсказано М. Фарадеем еще в 1832 г. Дж. Максвелл в 1865 г. в результате анализа предложенной им системы уравнений, описывающей электромагнитное поле, теоретически показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников — зарядов и токов. Поле без источников имеет вид волн, распространяющихся с конечной скоростью, которая в вакууме равна скорости света: с = 2,99792458*10⁸ м/с. Совпадение скорости распространения электромагнитных волн в вакууме с измеренной ранее скоростью света позволило Максвеллу сделать вывод о том, что свет представляет собой электромагнитные волны. Подобное заключение в дальнейшем легло в основу электромагнитной теории света.

Первое экспериментальное  подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет после создания теории в опытах Г. Герца (1888 г.). Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но впервые начал изучать их свойства – поглощение и преломление в разных средах, отражение от металлических поверхностей и т.п. Ему удалось измерить на опыте длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Опыты Герца сыграли  решающую роль для доказательства и  признания электромагнитной теории Максвелла. Через семь лет после этих опытов электромагнитные волны нашли применение в беспроводной связи (А. С. Попов, 1895 г.).

 

1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ГИПОТЕЗА МАКСВЕЛЛА

 

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано  великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.: всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного  процесса: изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Рис.1 и 2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла

 

 

Рисунок 2.Гипотеза Максвелла. Изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле

 

 

Переменное магнитное  поле порождает электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. При изменении со временем магнитной индукции B возникает электрическое поле, линии напряженности которого охватывают линии магнитной индукции. Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. При возрастании магнитной индукции направление напряженности образует левый винт с направлением вектора B.

Итак, магнитное поле порождает  электрическое. Не существует ли в природе  обратного процесса, когда переменное электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное? Это предположение, диктуемое соображениями симметрии, составляет основу гипотезы Максвелла.

Максвелл допустил, что такого рода процесс реально происходит в  природе. Во всех случаях, когда электрическое  поле изменяется со временем, оно порождает магнитное поле. Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряженности электрического поля подобно тому, как линии напряженности электрического поля охватывают линии индукции переменного магнитного поля. Но только при возрастании напряженности электрического поля  направление вектора индукции B возникающего магнитного поля образует правый винт с направлением вектора E.

Переменное электрическое поле в пустоте или внутри диэлектрика  было названо Максвеллом током смещения. Название «ток» было применено потому, что это поле порождает магнитное поле точно так же, как обычный ток. Добавка «смещения», с одной стороны, говорит нам, что это не обычный ток, а нечто специфическое, а с другой стороны, напоминает о том отделенном времени, когда с изменением электрического поля в вакууме связывалось смещение частиц гипотетической среды — эфира.

После введения представлений  о токе смещения появилась возможность  любой электрический ток рассматривать  как замкнутый. Так, например, в колебательном контуре ток проводимости в катушке (упорядоченное движение электронов) сменяется током смещения между обкладками конденсатора (изменяющимся со временем электрическим полем). Причем переменное электрическое поле создает такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал ток проводимости, равный току в катушке.

Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы

, и взаимно перпендикулярны

 

 

Из теории Максвелла  вытекает  важный вывод о том, что существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы  и  перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (рис. 3).

 

 

1.1 Скорость распространения  электромагнитных волн

 

Электромагнитные волны  распространяются в веществе с конечной скоростью

                                            

                       (1.1.1)

Здесь ε и μ –  диэлектрическая и магнитная  проницаемости вещества, ε₀ и μ₀ – электрическая и магнитная постоянные: ε₀ = 8,85419·10^-12 Ф/м, μ₀ = 1,25664·10^-6 Гн/м.

Длина волны λ в синусоидальной волне связана со скоростью υ распространения волны соотношением λ = υT = υ / f, где f – частота колебаний электромагнитного поля, T = 1 / f.

Скорость электромагнитных волн в  вакууме (ε = μ = 1):

                        

                            (1.1.2)

Скорость c распространения  электромагнитных волн в вакууме  является одной из фундаментальных  физических постоянных.

Вывод Максвелла о конечной скорости распространения электромагнитных волн находился в противоречии с принятой в то время теорией дальнодействия, в которой скорость распространения электрического и магнитного полей принималась бесконечно большой. Поэтому теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

 

1.2 Энергия, переносимая электромагнитной волной

 

В электромагнитной волне  происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое  и магнитное поля выступают как  равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: w_э = w_м.

                      

                                                (1.2.1)

Отсюда следует, что  в электромагнитной волне модули индукции магнитного поля и напряженности электрического поля в каждой точке пространства связаны соотношением:

                                (1.2.2)

Электромагнитные волны  переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S (рис.3), ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за малое время Δt через площадку протечет энергия ΔW_эм, равная

ΔW_эм = (w_э + w_м)υSΔt.                                          (1.2.3)       

 

 

1.3 Диполь Герца

 

Электромагнитные волны  могут возбуждаться только ускоренно  движущимися зарядами. Цепи постоянного  тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. В современной радиотехнике излучение электромагнитных волн производится с помощью антенн различных конструкций, в которых возбуждаются быстропеременные токи.

Простейшей системой, излучающей электромагнитные волны, является небольшой по размерам электрический диполь, дипольный момент p(t) которого быстро изменяется во времени.

Такой элементарный диполь называют диполем Герца. В радиотехнике диполь Герца эквивалентен небольшой антенне, размер которой много меньше длины волны λ (рис. 4).

 

Рисунок 4.Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

 

Рис. 5 дает представление о структуре электромагнитной волны, излучаемой таким диполем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.Излучение элементарного диполя

 

Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль  своей оси диполь не излучает энергии. Герц использовал элементарный диполь в качестве излучающей и приемной антенн при экспериментальном доказательстве существования электромагнитных волн.

 

2 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.

 

2.1 Открытый колебательный  контур

 

Электромагнитные колебания, возникшие в замкнутом контуре, в окружающее его пространство практически  не излучаются. Для этих целей примеряется  открытый колебательный контур, который  называется антенной или вибратором.

Если раздвигать пластины конденсатора, интенсивность излучения  электромагнитных волн в окружающее пространство будет возрастать, а  замкнутый колебательный контур превратится в открытый (рис. 6).

Рис. 6 Схема перехода от закрытого колебательного контура к открытому.

 

Емкость открытого колебательного контура образована двумя длинными проводами, отходящими от концов катушки. По всей длине любого провода распределено огромное количество элементарных индуктивностей и емкостей. Полученный колебательный контур называется симметричной полуволновой антенной или симметричным полуволновым вибратором. Антенна состоит из двух одинаковых половин, поэтому она симметричная. Полуволновой она называется потому, что резонанс на частоте сигнала будет в ней в том случае, если длина L будет равна половине длины волны принимаемого или передаваемого сигнала.

При появлении в ней  колебаний электрического тока вокруг антенны будут образовываться переменные магнитное и электрическое поля, создающие в совокупности электромагнитное поле. Это поле распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Частота колебаний электромагнитного поля соответствует частоте колебаний тока в антенне, а дальность его излучения зависит от амплитуды переменного тока в антенне, т. е. от мощности электрических колебаний в антенне.