Излучение и особенности электромагнитных волн

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

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

 

2.2 Механизм распространения  электромагнитных волн

 

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 на рис. 7. 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.

 

Рис. 7 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. 7а). Магнитные силовые линии в плоскостях, перпендикулярных оси провода, имеют вид концентрических окружностей. Через небольшой промежуток времени Δt в некоторой точке 1 электрическое поле увеличивается на ΔЕ, а магнитное на ΔН. Нарастающее в точке 1 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 1 перейдет в точку 2 (рис. 7б).

Аналогично можно проследить за изменением магнитного поля (рис. 7в). В результате фронт электромагнитной волны переместится из точки 1 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.

 

2.3 Пространственная картина электромагнитной волны. Вектор Пойнтинга

 

Пространственная картина  электромагнитной волны в некоторый  фиксированный момент времени t = t₁ характерна тем, что векторы Е и Н изменяются синфазно во взаимно перпендикулярных плоскостях E_0х и H_0х. 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.

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                                           (2.3.1)

Направление вектора S совпадает с направлением распространения 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.

Мощностью излучения  источника называется величина, численно равная среднему количеству энергии, которую теряет источник стороннего электрического 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_∑ = 4πR²S_ср                                                   (2.3.2)

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

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Движущиеся с ускорением электрические заряды и периодически изменяющиеся токи воздействуют друг на друга с некоторыми силами. Величина и направление этих сил зависят  от таких факторов, как конфигурация и размеры области, содержащей заряды и токи, величина и относительное направление токов, электрические свойства данной среды и изменения в концентрации зарядов и распределении токов источника. Из-за сложности общей постановки задачи закон сил нельзя представить в виде одной формулы. Структура, именуемая электромагнитным полем, которую при желании можно рассматривать как чисто математический объект, определяется распределением токов и зарядов, создаваемым заданным источником с учетом граничных условий, определяемых формой области взаимодействия и свойствами материала.

На больших расстояниях  от антенны любого типа электромагнитное поле имеет довольно простой вид: в любой данной точке векторы  напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В колеблются в фазе во взаимно перпендикулярных плоскостях, убывая обратно пропорционально расстоянию от источника. При этом волновой фронт имеет форму увеличивающейся в размерах сферы, а вектор потока энергии (вектор Пойнтинга) направлен вовне по ее радиусам. Интеграл от вектора Пойнтинга по всей сфере дает полную, усредненную по времени, излучаемую энергию. При этом волны, распространяющиеся в радиальном направлении со скоростью света, переносят от источника не только колебания векторов E и B, но также импульс поля и его энергию.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 2005
2. Кловский Д.Д., Зюко А.Г. – теория электрической связи. – М. Радио и связь, 1999
3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Колебания и волны.: Учеб. для углубленного изучения физики. – М.: Дрофа, 2002.
4. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество. М. 1970