Получение электромагнитных волн: Экспериментальное получение электромагнитных волн

Содержание

Экспериментальное получение электромагнитных волн

| на главную | доп. материалы | физика как наука и предмет | колебания и волны |

Организационные, контрольно-распорядительные и инженерно-технические услуги
в сфере жилой, коммерческой и иной недвижимости. Московский регион. Официально.

Существование электромагнитных волн — переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью, — вытекает из уравнений Максвелла. Уравнения Максвелла сформулированы в 1865 г. на основе обобщения эмпирических законов электрических и магнитных явлений. Как уже указы­валось, решающую роль для утверждения максвелловской теории сыграли опыты Герца (1888), доказавшие, что электрические и магнитные поля действительно распространяются в виде воли, поведение которых полностью описывается уравнениями Максвелла.

Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой элект­рический колебательный контур ила проводник, по которому течет переменный элект­рический ток, так

как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле (ток смещения) или соответственно переменное магнитное поле. Однако излучающая способность источника определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором переменное электромагнитное поле создается. Поэтому для получения электромагнитных волн непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора, а магнитное — внутри катушки индуктивности.

Герц в своих опытах, уменьшая число витков катушки и площадь пластин конден­сатора, а также раздвигая их (рис. 225, а, б), совершил переход от закрытого колеба­тельного контура к открытому колебательному контуру (вибратору Герца), представляющему собой два стрежня, разделенных искровым промежутком (рис. 225, в). Если в закрытом колебательном контуре переменное электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора (рис. 225,

а), то в открытом оно заполняет окружающее контур пространство (рис. 255, в), что существенно повышает интенсивность электромагнитного излучения. Колебания в такой системе поддерживаются за счет источника э.д.с., подключенного к обкладкам конденсатора, а искровой промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциалов, до которой первоначально заряжаются обкладки.

Для возбуждения электромагнитных воли вибратор Герца В подключался к индуктору И (рис. 226). Когда напряжение на искровом промежутке достигало пробивного значения, возникала искра, закорачивающая обе половины вибратора, и в нем возникали свободные затухающие колебания. При исчезновении искры контур размыкался и колебания прекращались. Затем индуктор снова заряжал конденсатор, возникала искра и в контуре опять наблюдались колебания и т. д. Для регистрации электромагнитных воли Герц пользовался вторым вибратором, называемым резонатором

Р, имеющим такую же частоту собственных колебаний, что и излучающий вибратор, т. е. настроенным в резонанс с вибратором. Когда электромагнитные волны достигали резонатора, то в его зазоре проскакивала электрическая искра.

С помощью описанного вибратора Герц экспериментировал с электромагнитными волнами, длина волны которых составляла примерно 3 м. П. Н. Лебедев, применяя миниатюрный вибратор из тонких платиновых стерженьков, получил миллиметровые электромагнитные волны с l = 6 – 4 мм. Дальнейшее развитие методики эксперимента в этом направлении позволило в 1923 г. российскому физику А. А. Глаголевой-Аркадьевой (1884—1945) сконструировать массовый излучатель, в котором короткие электромагнитные волны, возбуждаемые колебаниями электрических зарядов в атомах и молекулах, генерировались с помощью искр, проскакиваемых между металлическими опилками, взвешенными в масле. Так были получены волны с

l от 50 мм до 80 мкм. Тем самым было доказано существование волн, перекрывающих интервал между радиоволнами и инфракрасным излучением.

Недостатком вибраторов Герца и Лебедева и массового излучателя Глаголе­вой-Аркадьевой являлось то, что свободные колебания в них быстро затухали и об­ладали малой мощностью. Для получения незатухающих колебаний необходимо со­здать автоколебательную систему, которая обеспечивала бы подачу энергии с частотой, равной частоте собственных колебаний контура. Поэтому в 20-х годах прошлого столетия перешли к генерированию электромагнитных волн с помощью электронных ламп. Ламповые генераторы позволяют получать колебания заданной (практически любой) мощности и синусоидальной формы.

Электромагнитные волны, обладая широким диапазоном частот (или длин волн l=c/n, где с — скорость электромагнитных волн в вакууме), отличаются друг от друга по способам их генерации и регистрации, а также по своим свойствам. Поэтому электромагнитные волны делятся на несколько видов: радиоволны, световые волны, рентгеновское и

g-излучения (табл.5). Следует отметить, что границы между различными видами электромагнитных волн довольно условны.

Таблица 5

Продолжение табл. 5


Физика Колебательный контур. Получение электромагнитных колебаний

Первым, кто экспериментально получил электромагнитную волну, был немецкий ученый Генрих Герц. Так же он смог передать ее на небольшое расстояние и принять.  В 1886 году Герц заметил крошечные искры, проскакивающие в зазоре медного кольца, когда рядом разряжалась индукционная катушка. Это свидетельствовало о присутствии электромагнитных волн. Герц принялся изучать это явление. Он сконструировал аппарат, который состоял из передатчика и устройства, которое бы создало колебание необходимой частоты и приемника. Для того чтобы понять, в чем заключалась идея Герца в создании передатчика, необходимо вспомнить теоритические выводы Максвелла об электромагнитных волнах: электромагнитные волны создаются ускоренно движущимися зарядами. Создать такие заряды можно только в колебательном контуре. Колебательный контур – это цепь, которая состоит, в идеале, из последовательно соединенной катушки и конденсатора. В таком контуре возникают электромагнитные колебания, то есть периодические изменения со временем электрического и магнитного поля и, соответственно, величин, их характеризующих.

Рассмотрим, как происходят эти колебания. Отсчет времени начинается с того момента, как в цепь подключили заряженный конденсатор. Напряжение на обкладках конденсатора максимально, линии напряженности электрического поля направлены сверху вниз. В следующий промежуток времени, конденсатор начинает разряжаться (то есть электрическое поле ослабевает) и в цепи начинает течь ток. Одновременно с этим в катушке возникнет магнитное поле, препятствующее возрастанию тока в цепи. Здесь мы наблюдаем превращение электрического поля в магнитное. Когда конденсатор полностью разряжен, энергия контура заключена в магнитном поле. Так как конденсатор разрядился, ток начинает в контуре убывать, и в катушке в результате явления самоиндукции возникает индукционный ток, который направлен так же, как и убывающий ток (согласно правилу Ленца). В результате этого конденсатор начинает перезаряжаться, теперь нижняя обкладка конденсатора заряжена положительно, а верхняя отрицательно. Магнитное поле опять превращается в электрическое. С уменьшением магнитного поля до нулевого значения конденсатор полностью заряжается. Энергия контура заключена в электрическом поле. Полностью заряженный конденсатор начинает разряжаться, но так как полярность обкладок конденсатора изменилась, ток потечет в противоположном направлении. Процесс повторится, но в зеркальном отражении.  Таким образом, создаются свободные электромагнитные колебания, то есть колебания, которые возникли благодаря первоначальному запасу энергии (по аналогии с механическими колебаниями). Электромагнитное поле в контуре создано. Однако такой контур очень слабо излучает эту энергию в окружающую среду. Если раскрывать обкладки конденсатора все больше и больше, то все электромагнитные волны будут излучаться в пространстве более свободно.
В своем опыте Герц использовал катушку Румкорфа. Она состоит из первичной обмотки толстой проволоки и вторичной, большого количества витков тонкой проволоки. Эта катушка позволяет получить на концах вторичной обмотки огромное напряжение, благодаря чему сферы заряжаются противоположными зарядами. Через некоторое время в промежутке между сферами проскакивает искра. В этот момент в открытом контуре получаем высокочастотные колебания, которые будут распространяться в виде волны в окружающее пространство.   Электромагнитная волна невидима. Поэтому для ее регистрации или приема Герц использовал кольцо с разрывом. Экспериментируя с размером кольца и расстоянием до контура, Герц получил искровой разряд. Искры были результатом электромагнитных колебаний, которые распространялись в пространстве как волны и заряжали приемник.
 

Электромагнитные волны

8.Экспериментальное получение электромагнитных волн. Плоская электромагнитная волна. Волновое уравнение для электромагнитного поля. Энергия электромагнитных волн. Давление электромагнитных волн.

Экспериментальное получение электромагнитных волн. Существование электромагнитных волн — переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью, — вытекает из уравнений Максвелла, сформулированных им в 1865 году. Решающее значение для подтверждения максвелловской теории сыграли опыты немецкого физика Г. Герца (1888г.), доказавшие, что электрические и магнитные поля действительно распространяются в виде волн, свойства которых описываются уравнениями Максвелла.

Источником электромагнитных волн может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбуждения электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное электрическое поле (ток смещения) или соответственно магнитное поле.

В рассмотренном нами колебательном LC- контуре электрическое и магнитное поля сосредоточены между обкладками конденсатора и внутри катушки индуктивности, и такой контур слабо излучает энергию в окружающее пространство и является в этом смысле закрытым колебательным контуром, поэтому для получения электромагнитных волн такой контур непригоден. Для получения электромагнитных волн Г. Герц в 1886 г. использовал открытый колебательный контур, в котором он уменьшил число витков катушки и площадь пластин конденсатора, а также раздвинул их и таким образом совершил переход от закрытого колебательного контура к открытому колебательному контуру (вибратор Герца), представляющему собой два стержня, разделенных искровым промежутком. При подаче на вибратор высокого напряжения в промежутке между стержнями проскакивала искра. Она закорачивала промежуток, и в вибраторе возникали затухающие электрические колебания. За время горения искры успевало совершаться большое число колебаний. Если в закрытом колебательном контуре переменное электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора (рис.а), то в открытом оно заполняет окружающее

a)

L1 1

C E(t)

2

L2

пространство (рис.в), что существенно повышает интенсивность электромагнитного излучения. Излучаемые электромагнитные волны, распространяясь в пространстве, переносят энергию, поэтому запасенная в вибраторе энергия с течением времени уменьшается. Пополняется энергия за счет источника э.д.с., подключаемого к обкладкам конденсатора, а искровой промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциалов, до которой первоначально заряжаются обкладки. Помимо электрического поля, в пространстве вокруг вибратора создается вихревое магнитное поле, причем как показали исследования, в каждой точке пространства векторы Е и Н взаимно перпендикулярны, а их значения зависят от координат и времени. Для регистрации электромагнитных волн Г. Герц использовал второй подобный вибратор, называемый резонатором, имеющий такую же частоту собственных колебаний, что и излучающий вибрато, т.е. настроенный в резонанс с вибратором. Когда электромагнитные волны достигали резонатора, то в его зазоре проскакивала электрическая искра.

С помощью описанного вибратора Г. Герц получал электромагнитные волны длиной от 0,6 м до 10 м. С помощью больших металлических зеркал и асфальтовой призмы (размером более 1 м и массой 1200 кг) Герц осуществил отражение и преломление электромагнитных волн и обнаружил, что оба эти явления подчиняются законам, установленным ранее в оптике для световых волн. Отразив бегущую плоскую волну с помощью металлического зеркала в обратном направлении, Герц получил стоячую волну и, измерив расстояние между узлами и пучностями, определил длину волны λ. Умножив λ на частоту колебаний вибратора ν, можно было найти скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась к близкой скорости света С. Используя решетку из параллельных друг другу медных проволок расположенных на пути распространения электромагнитных волн Г. Герц доказал поперечность электромагнитных волн.

Опыты Г. Герца были продолжены русским ученым П.Н. Лебедевым, который в 1894 году применил миниатюрный вибратор из тонких платиновых стерженьков и получил электромагнитные волны с λ = 4 – 6 мм и исследовал прохождение их в кристаллах. При этом было обнаружено двойное преломление волн. (двойное лучепреломление).

В 1896 году А.С. Попов впервые осуществил с помощью электромагнитных волн передачу сообщения на расстояние около 250 м (были переданы слова «Генрих Герц»). Тем самым было положено основание радиотехнике.

Недостатком вибраторов Герца и Лебедева являлось то, что свободные колебания в них быстро затухали и обладали малой мощностью.Для получения незатухающих колебаний необходимо создать автоколебательную систему, которая обеспечивала бы подачу энергии с частотой, равной частоте собственных колебаний контура. Для этого используют ламповые или транзисторные генераторы.

Плоская электромагнитная волна. Волновое уравнение для электромагнитного поля. На расстоянии r>>λ от вибратора (волновая зона) электрическое и магнитное поля изменяются по фазе по гармоническому закону и представляют собой сферическую электромагнитную волну, распространяющуюся со скоростью

V = 1/√ε0εμ0μ = С/√εμ, С = 1/√ ε0μ0 – скорость света в вакууме,

ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемость среды. Так как εμ>1, то скорость распространения электромагнитных волн в веществе всегда меньше, чем в вакууме.

С дальнейшим увеличением расстояния от вибратора радиус кривизны фронта сферической волны увеличивается, и ее можно считать плоской. Можно показать, что для однородной незаряженной непроводящей (плотность тока j=0) несегнетоэлектрической (ε = const) и неферромагнитной среды (μ = const) среды из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженности Е и Н переменного электромагнитного поля удовлетворяют волновому уравнению:

ΔE = (1/V2)∂2E/dt2, (1)

ΔH = (1/V2)∂2H/dt2, (2)

где Δ = ∂2/∂x2 + ∂2/∂y2 + ∂2/∂z2 — оператор Лапласа, V = С/√εμ — соотношение Максвелла (фазовая скорость).

Следствием теории Максвелла является поперечность электромагнитных волн: векторы Е и Н напряженностей электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной вектору V скорости распространения волны, причем векторы Е, Н и V образуют правовинтовую систему. Уравнениям (1) и (2) удовлетворяют, в частности плоские монохроматические электромагнитные волны (неограниченны в пространстве и времени), описываемые уравнениями

Еy = E0cos(ωt – kx + φ), (3)

Hz = H0cos(ωt – kx + φ), (4)

где k = ω/V – волновое число. Векторы Е и Н всегда колеблются в одинаковых фазах, поэтому в уравнениях (3) и (4) φ одинаково.

Между амплитудными Е0 и Н0 и мгновенными значениями Е и Н в плоской электромагнитной волне существует взаимосвязь:

Е√ε0ε = Н√μ0μ; Е0 √ε0ε = Н0 √μ0μ. (5)

Энергия электромагнитных волн. Электромагнитные волны переносят энергию. Объемная плотность энергии электромагнитного поля W складывается из объемных плотностей Wэл и Wм электрического и магнитных полей:

W = Wэл + Wм = ε0εE2/2 + μ0μH2/2 (6)

Учитывая (5), получаем, что плотности энергии электрического и магнитного полей в каждый момент времени одинаковы, т.е. Wэл = Wм. Поэтому можно написать, что

W = Wэл + Wм = ε0εE22 = √ε0μ0√εμ ЕН. (7)

Умножив плотность энергии W на скорость V распространения волны в среде, получим модуль вектора плотности потока энергии:

S = WV = EH. (8)

Так как векторы Е и Н взаимно перпендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, то направление вектора [EH] совпадает с направлением переноса энергии, а модуль этого вектора равен ЕН. Следовательно, вектор плотности потока электромагнитной энергии (вектор Умова- Пойтинга) можно представить как векторное произведение Е и Н:

S = [EH].

Вектор S направлен в сторону распространения электромагнитной волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны.

Поток Ф электромагнитной энергии через некоторую поверхность F можно найти с помощью интегрирования:

Ф = ∫S dF. (9)

F

Давление электромагнитных волн. Если электромагнитные волны поглощаются или отражаются телами, что было подтверждено Г Герцем, то из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны сообщают телу некоторый импульс, т.е. должны оказывать на тела давление. Однако значение этого давления ничтожно мало. Можно оценить, что при средней мощности солнечного излучения, приходящего на Землю, давление для абсолютно поглощающей поверхности составляет примерно 5 мкПа. В исключительно тонких экспериментах, ставших классическими, П.Н. Лебедев в 1899 г. доказал существование светового давления на твердые тела, а в 1910 г. – на газы. Результаты измерений оказались в полном согласии с теорией, что подтвердило выводы Максвелла о том, что свет представляет собой электромагнитные волны.

Механический импульс, сообщаемый единице поверхности в единицу времени, равен давлению Р на поверхность. Следовательно, в случае поглощающей поверхности

Р = W/С,

где W – энергия электромагнитного поля. Выражая импульс как Р = mC (поле в вакууме распространяется со скоростью С), получим Р = mC = W/С, откуда

W = mC2. (10)

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля является универсальным законом природы.

Получение электромагнитных волн

 Составляющими компонентами электромагнитных волн являются переменные электрическое и магнитное поля. Следовательно, для получения электромагнитной волны необходимо эти поля создать. Это можно сделать с помощью переменного тока, текущего по проводу. Тогда магнитное поле вокруг провода будет переменным, оно будет порождать переменное электрическое поле, которое в свою очередь опять породит переменное магнитное поле и т. д., таким образом, в пространстве «побежит» электромагнитная волна. Переменный ток представляет собой ускоренно движущиеся заряды. Поэтому можно сказать, что электромагнитные волны порождаются зарядами, движущимися с ускорением. Например, электромагнитные волны излучает колеблющийся электрический диполь, называемый вибратором Герца (при колебаниях заряды полюса диполя двигаются с переменной скоростью, т.е. с ускорением).

На первый взгляд может показаться, что экспериментально получить и обнаружить электромагнитные волны просто. Однако между теоретическим предсказанием существования электромагнитных волн (и возможности передачи информации без проводов) (Максвелл, 1864-1865 г.г.) и экспериментальным подтверждением их существования (Герц, 1888 г.) лежит более двух десятков лет. Рассмотрим основные проблемы, связанные с экспериментальным обнаружением электромагнитных волн.


Во-первых, электромагнитные волны должны быть достаточно интенсивными. Согласно закону электромагнитной индукции (представляющему собой одно из уравнений Максвелла) электрическое поле, возникающее при изменении магнитного тем больше, чем выше скорость изменения магнитного поля. То же самое можно сказать и о переменном магнитном поле, порождаемым переменным электрическим полем. Таким образом, для того, чтобы получить электромагнитные волны достаточной интенсивности должна быть высока частота колебаний тока или вибратора Герца. Расчет показывает, что средняя мощность излучения пропорциональна четвертой степени частоты: Р ~ ω4.

Для  успешных  опытов  частоты  порядка  частоты  осветительной сети (ν = 50 Гц) не достаточны. Высокие частоты (несколько МГц и более) можно получить в электрических колебательных LC-контурах. Однако, здесь мы сталкиваемся с другой проблемой. Длина волны, соответствующая частоте 1 МГц, м. Эта величина намного превышает размеры любой цепи. Поскольку электрическая цепь замкнута, для любого участка всегда найдется участок, в котором ток течет в противоположном направлении. Поскольку расстояние между противоположными участками гораздо меньше длины волны, они будут действовать как противофазные излучатели, ослабляя действие друг друга практически до нуля. То же можно сказать о противоположных участках витка катушки, противоположно заряженных пластинах конденсатора.

Проблему можно понять еще лучше, если воспользоваться формулой (4.31) для средней мощности, выделяемой в цепи. Например, катушку и конденсатор нельзя использовать в качестве излучателей электромагнитных волн, так как для этого данные элементы цепи должны отдавать энергию в окружающее пространство. Но сдвиг фаз между током и напряжением в индуктивности и емкости , следовательно, средняя мощность Р = 0. Индуктивность и емкость передают весь запас энергии обратно источнику тока и не могут отдавать энергию в окружающее пространство. Резистор так же не может быть использован в качестве излучателя, поскольку вся энергия выделяется в нем в виде тепла. Включение резистора последовательно с емкостью или катушкой изменяет , но опять-таки за счет выделения тепла, но не за счет излучения. Для излучения волн нужна разность фаз, отличная от , но сделать это нужно не за счет выделения тепла, т.е. без резисторов.

 

Итак, для получения электромагнитных волн необходима открытая форма цепи и достаточно высокая частота электрических колебаний. В 1888 году Герц впервые экспериментально осуществил получение электромагнитных волн. Для этой цели он выбрал прямо­линейный вибратор, ко­то­рый, по сути, представляет со­бой открытый коле­ба­тель­ный контур (рис. 4.13). Вибра­тор (прямолинейный провод) имеет посередине разрыв – искро­вой промежуток. К концам искрового промежутка подводится переменное напря­же­ние от повышающего тран­сформатора. Когда напряжение достигает достаточно большой величины, в промежутке проскакивает искра, воздушный промежуток на какое-то время становится проводящим, и в вибраторе возникают высокочастотные колебания электрического заряда или быстро меняющийся во времени ток, который приводит к излучению электромагнитных волн. Длина электромагнитных волн задаётся размерами вибратора. В качестве «антенн» для обнаружения волн Герц использовал другой вибратор с меньшим искровым промежутком, а также приемный виток (рис. 4.13,б). Если приемники были настроены в резонанс на частоту излучателя (т.е. собственные частоты колебаний излучателя и приемника совпадали), то в их искровых промежутках проскакивали небольшие искорки. Герц не только получил электромагнитные волны, но и воспроизвел с ними некоторые явления, характерные для волн – отражение, преломление, поляризацию. Таким образом, Герц доказал, что электромагнитные волны, теоретически предсказанные Максвеллом, реальны. Возникал вопрос: а что представляют собой электромагнитные волны ещё более высокой частоты, каким образом их получить? В то время еще было неизвестно строение атомов и молекул, не был открыт даже электрон, механизмы излучения электромагнитных волн более высокой частоты еще предстояло понять. Однако опыты Герца косвенным образом указывали на их существование, подтверждая теорию Максвелла и укрепляя точку зрения о том, что, например, видимый свет тоже представляет собой электромагнитные волны, но более высокой частоты.

 

 

    4.5.3. Энергия электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнтинга

Часто перед тем, как делать серьёзные расчеты, физики-теоретики, составляя различные комбинации физических величин, пытаются заранее предсказать ответ на основе анализа размерностей этих комбинаций. Выясним размерность произведения напряженностей электрического и магнитного полей:

.

 

 

Получили размерность плотности потока энергии – энергии, протекающей через единичную площадь за единицу времени. Эта величина носит название вектора Умова-Пойнтинга. Естественно, в случае электромагнитной волны этот вектор направлен в сторону распространения волны, т.е. перпендикулярно векторам  и .

Плотность потока энергии электромагнитной волны или вектор Умова-Пойнтинга определяется векторным произведением:

 

 .                         (4.34)

 

Вектора ,  и  образуют правую тройку векторов (рис. 4.14).

 

    Приведем пример. Рас­смотрим увеличенный отрезок провода с током (рис. 4.15). Поскольку по проводу течет ток, повсюду внутри провода существует электрическое поле, параллельное оси провода и направленное по току. Вокруг тока существует и магнитное поле, направление вектора напряженности которого опреде­ляется правилом правого винта (буравчика). Вектор  перпендикулярен проводу (на рис. 4.15 перпендикулярен плоскости чертежа). Таким образом, вектор Умова-Пойнтинга внутри провода направлен строго к его оси. Причем на самой оси , поскольку там обращается в ноль вектор . Значит, поток энергии в пространстве вокруг провода направлен к его оси, уменьшаясь до нуля на расстоянии, равном радиусу провода. Но (по закону сохранения энергии) энергия не может исчезнуть бесследно. Действительно, внутри провода она превращается в тепло, т.е. провод при протекании через него тока нагревается.

То, что провод при протекании по нему тока нагревается – это не открытие. Однако, если раньше нагревание провода мы просто объясняли его сопротивлением, то неожиданным кажется тот факт, что энергия течет откуда-то извне, может показаться даже «из космоса». В действительности, конечно же, линии потока энергии, заканчиваясь на оси провода, берут своё начало от источника тока (батарейки).

Итак, электроэнергия, передаваемая при помощи проводов, течет от источника не вдоль оси внутри провода! Плотность потока энергии распределена во всем пространстве.

 

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

 

 

1. Что представляет собой колебательный контур?

2. Какова причина колебаний в LC-контуре?

3. От каких параметров зависит период колебаний в LC-контуре?

4. Перечислите физические величины, совершающие колебания в LC-контуре.

5. При каком условии колебания в LC-контуре являются гармоническими?

6. Запишите дифференциальные уравнения гармонических и затухающих колебаний. Запишите решения этих уравнений. Что такое циклическая частота?

7. Постройте графики зависимости амплитуд гармонических и затухающих колебаний в зависимости от времени.

8. Постройте графики зависимости заряда конденсатора от времени для LC- и LCR-контуров.

9. Что называется временем затухания? Выведите связь между временем затухания и коэффициентом затухания.

10.  Дайте определения декремента затухания и логарифмического декремента затухания. От каких параметров зависят эти величины?

11.  Нарисуйте контур, в котором происходят вынужденные колебания. Поясните смысл слова «вынужденные».

12.  Запишите дифференциальное уравнение и его решение для вынужденных колебаний.

13.  Постройте график зависимости амплитуды вынужденных колебаний от частоты внешней вынуждающей силы. Как называется данный график?

14.  Что такое резонанс? При каком условии он возникает? Что такое добротность контура?

15.  В контур включены катушка, конденсатор и синусоидальная ЭДС. При медленном выдвижении сердечника из катушки амплитуда колебаний электрического тока сначала возрастает, а потом начинает убывать. Объясните явление.

16.  Что называется активным и реактивным сопротивлениями?

17.  Дайте определение ёмкостного и индуктивного сопротивлений. Как они зависят от циклической частоты колебаний внешней ЭДС? Подумайте, как можно объяснить эти зависимости.

18.  Сформулируйте закон Ома для участка цепи в случае переменного синусоидального тока.

19.  Чему равно полное сопротивление LCR-контура, подключенного к внешней синусоидальной ЭДС в резонансе?

20.  Объясните смысл метода векторных диаграмм.

21.  Что называется эффективными напряжением и током?

22.  От чего зависит мощность, выделяемая на участке цепи с переменным током?

23.  Что представляют собой электромагнитные волны? Приведите примеры электромагнитных волн.

24.  Что такое частота и длина волны? Как они связаны?

25.  Волны представляют собой периодические процессы, как во времени, так и в пространстве. Поясните смысл данного утверждения.

26.  Дайте классификацию электромагнитных волн по частотам (длинам волн).

27.  Перечислите основные условия, необходимые для получения электромагнитных волн.

28.  Подумайте, почему при распространении волн возникает поток энергии?

29.  Дайте определение вектора Умова-Пойнтинга. В каких единицах измеряется величина этого вектора?

30.  Как направлен вектор Умова-Пойнтинга при протекании электрического тока по проводу?

 

Список литературы

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие. –7 изд., испр. –М.: Высшая школа, 2001. — 542 с.

2. Детлаф А.А. Курс физики: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 1999. – 718 с.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1977, т.1; 1978, т.II.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.1, Механика – М.: Наука,1974.

5. Иродов И. Е., Основные законы механики – М.: Высшая школа, 1985.

6. Чертов А.Г. Задачник по физике для втузов. – 4-е изд., испр. – М.: Интеграл – Пресс, 1988. – 544 с.

7. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики: Учебное пособие. –11 изд., перераб. — М.: Наука. — Физматлит, 1985. –384 с.

 

 

 

Электромагнитные волны § 161. Экспериментальное получение электромагнитных волн

254

Глава 20

Электромагнитные волны

§ 161. Экспериментальное получение электромагнитных волн

Существование электромагнитных волн —

переменного электромагнитного поля, рас­пространяющегося в пространстве с ко­нечной скоростью,— вытекает из уравне­ний Максвелла (см. §139). Уравнения Максвелла сформулированы в 1865 г. на основе обобщения эмпирических законов электрических и магнитных явлений. Как уже указывалось, решающую роль для утверждения максвелловской теории сыг­рали опыты Герца (1888), доказавшие, что электрические и магнитные поля дей­ствительно распространяются в виде волн, поведение которых полностью описывает­ся уравнениями Максвелла.

Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбужде­ния электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное элек­трическое поле (ток смещения) или со­ответственно переменное магнитное поле. Однако излучающая способность источни­ка определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором пере­менное электромагнитное поле создается.

Поэтому для получения электромагнитных волн непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конден­сатора, а магнитное — внутри катушки индуктивности.

Герц в своих опытах, уменьшая число витков катушки и площадь пластин кон­денсатора, а также раздвигая их (рис. 225, а, б), совершил переход от за­крытого колебательного контура к откры­тому колебательному контуру (вибратору Герца), представляющему собой два стер­жня, разделенных искровым промежутком (рис. 225, в). Если в закрытом колебатель­ном контуре переменное электрическое по­ле сосредоточено внутри конденсатора (рис. 225, а), то в открытом оно заполняет окружающее контур пространство (рис. 225, в), что существенно повышает интенсивность электромагнитного излуче­ния. Колебания в такой системе поддер­живаются за счет источника э.д.с., под­ключенного к обкладкам конденсатора, а искровой промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциа­лов, до которой первоначально заряжают­ся обкладки.

Для возбуждения электромагнитных волн вибратор Герца В подключался к ин­дуктору И (рис.226). Когда напряжение на искровом промежутке достигало про­бивного значения, возникала искра, закорачивающая обе половины вибратора, и в нем возникали свободные затухающие

255


колебания. При исчезновении искры кон­тур размыкался и колебания прекраща­лись. Затем индуктор снова заряжал кон­денсатор, возникала искра и в контуре опять наблюдались колебания и т. д. Для регистрации электромагнитных волн Герц пользовался вторым вибратором, называе­мым резонатором Р, имеющим такую же частоту собственных колебаний, что и из­лучающий вибратор, т. е. настроенным в резонанс с вибратором. Когда электро­магнитные волны достигали резонатора, то в его зазоре проскакивала электриче­ская искра.

С помощью описанного вибратора Герц достиг частот порядка 100 МГц и по­лучил волны, длина Я которых составляла примерно 3 м. П. Н. Лебедев, применяя миниатюрный вибратор из тонких плати­новых стерженьков, получил миллиметро­вые электромагнитные волны с =6— 4 мм. Дальнейшее развитие методики эк­сперимента в этом направлении позволило в 1923 г. советскому физику А. А. Глаголе­вой-Аркадьевой (1884—1945) сконструи­ровать массовый излучатель, в котором короткие электромагнитные волны, воз­буждаемые колебаниями электрических зарядов в атомах и молекулах, генериро­вались с помощью искр, проскакиваемых между металлическими опилками, взве­шенными в масле. Так были получены

Таблица 5

волны от 50 мм до 80 мкм. Тем самым было доказано существование волн, пере­крывающих интервал между радиоволна­ми и инфракрасным излучением.

Недостатком вибраторов Герца и Ле­бедева и массового излучателя Глаголе­вой-Аркадьевой являлось то, что свобод­ные колебания в них быстро затухали и обладали малой мощностью. Для полу­чения незатухающих колебаний необходи­мо создать автоколебательную систему (см. § 146), которая обеспечивала бы по­дачу энергии с частотой, равной частоте собственных колебаний контура. Поэтому в 20-х годах нашего столетия перешли к генерированию электромагнитных волн с помощью электронных ламп. Ламповые генераторы позволяют получать колеба­ния заданной (практически любой) мощ­ности и синусоидальной формы.

Электромагнитные волны, обладая ши­роким диапазоном частот (или длин волн =c/v, где с — скорость электромагнит­ных волн в вакууме), отличаются друг от друга по способам их генерации и ре­гистрации, а также по своим свойствам. Поэтому электромагнитные волны делятся на несколько видов: радиоволны, световые волны, рентгеновское и -излучения (табл.5). Следует отметить, что границы между различными видами электромаг­нитных волн довольно условны.


256

§ 162. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны

Как уже указывалось (см. §161), одним из важнейших следствий уравнений Мак­свелла (см. § 139) является существова­ние электромагнитных волн. Можно по­казать, что для однородной и изотропной среды вдали от зарядов и токов, создаю­щих электромагнитное поле, из уравнений Максвелла следует, что векторы напряженностей Е и Н переменного электро­магнитного поля удовлетворяют волново­му уравнению типа (154.9):

— оператор Лапласа, v — фазовая ско­рость.

Всякая функция, удовлетворяющая уравнениям (162.1) и (162.2), описывает некоторую волну. Следовательно, электро­магнитные поля действительно могут су­ществовать в виде электромагнитных волн. Фазовая скорость электромагнитных волн определяется выражением

где с= 1/00, 0 и 0 — соответственно

электрическая и магнитная постоянные,  и  — соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды.

В вакууме (при =1 и =1) скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью с. Так как > 1, то скорость распространения электро­магнитных волн в веществе всегда мень­ше, чем в вакууме.

При вычислении скорости распростра­нения электромагнитного поля по формуле (162.3) получается результат, достаточно хорошо совпадающий с эксперименталь­ными данными, если учитывать зависи­мость  и , от частоты. Совпадение же размерного коэффициента в (162.3) со

скоростью распространения света в вакуу­ме указывает на глубокую связь между электромагнитными и оптическими явле­ниями, позволившую Максвеллу создать электромагнитную теорию света, согласно которой свет представляет собой электро­магнитные волны.

Следствием теории Максвелла являет­ся поперечность электромагнитных волн: векторы Е и Н напряженностей электриче­ского и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны (на рис. 227 показана моментальная «фотография» плоской электромагнитной волны) и лежат в плос­кости, перпендикулярной вектору v скоро­сти распространения волны, причем векто­ры Е, Н и v образуют правовинтовую систему. Из уравнений Максвелла следует также, что в электромагнитной волне век­торы Е и Н всегда колеблются в одина­ковых фазах (см. рис. 227), причем мгно­венные значения £ и Я в любой точке связаны соотношением

0=0Н. (162.4)

Следовательно, E и H одновременно достигают максимума, одновременно об­ращаются в нуль и т. д.

От волновых уравнений (162.1) и (162.2) можно перейти к уравнениям

где соответственно индексы у и z при Е н Н подчеркивают лишь то, что векторы

257

Е и Н направлены вдоль взаимно перпен­дикулярных осей у и z.

Уравнениям (162.5) и (162.6) удов­летворяют, в частности, плоские монохро­матические электромагнитные волны (электромагнитные волны одной строго определенной частоты), описываемые уравнениями

Еу0cos(t-kx+), (162.7)

Hz= H0cos(t-kx+), (162.8)

где е0 и Н0соответственно амплитуды напряженностей электрического и магнит­ного полей волны,  — круговая частота волны, k=/v— волновое число, — начальные фазы колебаний в точках с ко­ординатой х=0. В уравнениях (162.7) и (162.8)  одинаково, так как колебания электрического и магнитного векторов в электромагнитной волне происходят с одинаковой фазой.

§ 163. Энергия электромагнитных волн. Импульс электромагнитного поля

Возможность обнаружения электромаг­нитных волн указывает на то, что они переносят энергию. Объемная плотность w энергии электромагнитной волны скла­дывается из объемных плотностей wэл (см. (95.8)) и wм (см. (130.3)) электриче­ского и магнитного полей:

w = wэл+wм=0E2/2+0H2/2.

Учитывая выражение (162.4), получим, что плотность энергии электрического и магнитного полей в каждый момент вре­мени одинакова, т. е. wэл = wм. Поэтому

w =2wэл=0Е2 =00ЕН.

Умножив плотность энергии w на скорость v распространения волны в среде (см. (162.3)), получим модуль плотности потока энергии:

S=wv=EH.

Так как векторы Е и Н взаимно пер­пендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую

систему, то направление вектора [ЕН] совпадает с направлением переноса энер­гии, а модуль этого вектора равен ЕН. Вектор плотности потока электромагнит­ной энергии называется вектором Умова— Пойнтинга:

S = [EH].

Вектор S направлен в сторону рас­пространения электромагнитной волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу вре­мени через единичную площадку, перпен­дикулярную направлению распростране­ния волны.

Если электромагнитные волны погло­щаются или отражаются телами (эти яв­ления подтверждены опытами Г. Герца), то из теории Максвелла следует, что элек­тромагнитные волны должны оказывать на тела давление. Давление электромаг­нитных волн объясняется тем, что под действием электрического поля волны за­ряженные частицы вещества начинают упорядоченно двигаться и подвергаются со стороны магнитного поля волны дейст­вию сил Лоренца. Однако значение этого давления ничтожно. Можно оценить, что при средней мощности солнечного излуче­ния, приходящего на Землю, давление для абсолютно поглощающей поверхности со­ставляет примерно 5 мкПа. В исключи­тельно тонких экспериментах, ставших классическими, П. Н. Лебедев в 1899 г. до­казал существование светового давления на твердые тела, а в 1910г.— на газы. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения выводов теории Мак­свелла о том, что свет представляет собой электромагнитные волны.

Существование давления электромаг­нитных волн приводит к выводу о том, что электромагнитному полю присущ механи­ческий импульс. Импульс электромагнит­ного поля

p=W/c,

где W — энергия электромагнитного поля. Выражая импульс как р=mc (поле в ва­кууме распространяется со скоростью с), получим p = mc=W/c, откуда

W = mc2. (163.1)

258


Это соотношение между массой и энергией свободного электромагнитного поля явля­ется универсальным законом природы (см. также §40). Согласно специальной теории относительности, выражение (163.1) имеет общее значение и справед­ливо для любых тел независимо от их внутреннего строения.

Таким образом, рассмотренные свойст­ва электромагнитных волн, определяемые теорией Максвелла, полностью подтвер­ждаются опытами Герца, Лебедева и вы­водами специальной теории относительно­сти, сыгравшими решающую роль для подтверждения и быстрого признания этой теории.

§ 164. Излучение диполя. Применение электромагнитных волн

Простейшим излучателем электромагнит­ных волн является электрический диполь, электрический момент которого изменяет­ся во времени по гармоническому закону

р = р0cost,

где р0 — амплитуда вектора р. Примером подобного диполя может служить система, состоящая из покоящегося положительно­го заряда +Q и отрицательного заряда —Q, гармонически колеблющегося вдоль направления р с частотой .

Задача об излучении диполя имеет в теории излучающих систем важное зна­чение, так как всякую реальную излучаю­щую систему (например, антенну) можно рассчитывать рассматривая излучение ди­поля. Кроме того, многие вопросы взаимо­действия излучения с веществом можно объяснить на основе классической теории, рассматривая атомы как системы зарядов, в которых электроны совершают гармони­ческие колебания около их положений равновесия.

Характер электромагнитного поля ди­поля зависит от выбора рассматриваемой точки. Особый интерес представляет так называемая волновая зона диполя — точ­ки пространства, отстоящие от диполя на расстояниях r, значительно превышающих длину волны (r>>),— так как в ней кар-

тина электромагнитного поля диполя силь­но упрощается. Это связано с тем, что в волновой зоне диполя практически оста­ются только «отпочковавшиеся» от дипо­ля, свободно распространяющиеся поля, в то время как поля, колеблющиеся вместе с диполем и имеющие более сложную структуру, сосредоточены в области рас­стояний r

Если волна распространяется в одно­родной изотропной среде, то время про­хождения волны до точек, удаленных от диполя на расстояние r, одинаково. Поэто­му во всех точках сферы, центр которой совпадает с диполем, фаза колебаний оди­накова, т. е. в волновой зоне волновой фронт будет сферическим и, следователь­но, волна, излучаемая диполем, есть сфе­рическая волна.

В каждой точке векторы Е и Н ко­леблются по закону cos(t-kr), амплиту­ды этих векторов пропорциональны 1/rsin

(для вакуума), т. е. зависят от расстояния r до излучателя и угла  между направле­нием радиуса-вектора и осью диполя. От­сюда следует, что интенсивность излуче­ния диполя в волновой зоне

I~sin2/r2. (164.1)

Зависимость (164.1) I от  при заданном значении r, приводимая в полярных ко­ординатах (рис.228), называется диаг­раммой направленности излучения дипо­ля. Как видно из выражения (164.1) и приведенной диаграммы, диполь сильнее всего излучает в направлениях, перпенди­кулярных его оси (=/2). Вдоль своей оси (=0 и =) диполь не излучает вообще. Диаграмма направленности излу­чения диполя позволяет формировать из­лучение с определенными характеристика-

259


ми и используется при конструировании антенн.

Впервые электромагнитные волны бы­ли использованы через семь лет после опытов Герца. 7 мая 1895 г. преподаватель физики офицерских минных классов А.С.Попов (1859—1906) на заседании Русского физико-химического общества продемонстрировал первый в мире радио­приемник, открывший возможность прак­тического использования электромагнит­ных волн для беспроволочной связи, пре­образившей жизнь человечества. Первая переданная в мире радиограмма содержа­ла лишь два слова: «Генрих Герц». Изо­бретение радио Поповым сыграло огром­ную роль в деле распространения и разви­тия теории Максвелла.

Электромагнитные волны сантиметро­вого и миллиметрового диапазонов, встре­чая на своем пути преграды, отражаются от них. Это явление лежит в основе радио­локации — обнаружения предметов (на­пример, самолетов, кораблей и т. д.) на больших расстояниях и точного определе­ния их положения. Помимо этого, методы

радиолокации используются для наблюде­ния прохождения и образования облаков, движения метеоритов в верхних слоях ат­мосферы и т. д.

Для электромагнитных волн характер­но явление дифракции — огибания волна­ми различных препятствий. Именно благо­даря дифракции радиоволн возможна устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами, разделенными между собой вы­пуклостью Земли. Длинные волны (сотни и тысячи метров) применяются в фототе­леграфии, короткие волны (несколько мет­ров и меньше) применяются в телевидении для передачи изображений на небольшие расстояния (немногим больше пределов прямой видимости). Электромагнитные волны используются также в радиогеоде­зии для очень точного определения рассто­яний с помощью радиосигналов, в радио­астрономии для исследования радиоизлу­чения небесных тел и т. д. Полное описание применения электромагнитных волн дать практически невозможно, так как нет об­ластей науки и техники, где бы они не использовались.

Контрольные вопросы

• Что такое электромагнитная волна? Какова скорость ее распространения?

• Что может служить источником электромагнитных волн?

• Каковы физические процессы, приводящие к возможности существования электромагнитных волн?

• Почему Герц в своих опытах использовал открытый колебательный контур?

• Как можно представить себе шкалу электромагнитных волн, и каковы источники излучения разных видов волн?

• Какие характеристики поля периодически изменяются в бегущей электромагнитной волне?

• Почему член дD/дt в уравнении Максвелланужен для понимания

распространения электромагнитной волны?

• Запишите волновое уравнение для векторов Е и Н переменного электромагнитного поля. Про­ анализируйте его решения и объясните физический смысл.

• Как определяется фазовая скорость электромагнитных волн?

• Как определить объемную плотность энергии в электромагнитной волне?

• В чем заключается физический смысл вектора Умова—Пойнтинга? Чему он равен?

• Почему важна задача об излучении диполя?

• В чем заключается физический смысл диаграммы направленности излучения диполя?


260

Задачи

20.1. Электромагнитная волна с частотой 4 МГц переходит из немагнитной среды с диэлектриче­ской проницаемостью =3 в вакуум. Определить приращение ее длины волны. [31,7 м]

20.2. Два параллельных провода, одни концы которых изолированы, а вторые индуктивно соедине­ны с генератором электромагнитных колебаний, погружены в спирт. При соответствующем подборе частоты колебаний в системе возникают стоячие волны. Расстояние между двумя узлами стоячих волн на проводах равно 0,5 м. Принимая диэлектрическую проницаемость спирта =26, а его магнитную проницаемость =1, определить частоту колебаний генерато­ра. [58,8 МГц]

20.3. В вакууме вдоль оси х распространяется плоская электромагнитная волна. Амплитуда на­пряженности электрического поля волны составляет 18,8 В/м. Определить интенсивность волны, т. е. среднюю энергию, приходящуюся за единицу времени на единицу площади, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны. [0,47 Вт/м2]

Колебательный контур. Получение электромагнитных колебаний

О, сколько нам открытий чудных

Готовят просвещенья дух

И опыт, сын ошибок трудных

И гений, парадоксов – друг

И случай – бог изобретатель.

А. С. Пушкина

В данной теме речь пойдет о колебательном контуре и получении электромагнитных колебаний.

Прежде чем приступить к изучению новой темы, повторим основные понятия, которые помогут разобраться в данной теме.

Явление самоиндукции заключается в возникновении индукционного тока в проводнике при изменении силы тока в нем.

Индуктивность контура — это физическая величина, введенная для оценивания способности проводника противодействовать изменению силы тока в нем.

Конденсатор — это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля.

Радиовещание (т.е. передача звуковой информации на большие расстояния) осуществляется посредством электромагнитных волн, излучаемых антенной радиопередающего устройства. Известно, что источником электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся заряженные частицы. Значит, для того, чтобы антенна излучала электромагнитные волны, в ней нужно возбуждать колебания свободных электронов. Такие колебания называются электромагнитными, поскольку они порождают электромагнитным полем, распространяющееся в пространстве в виде электромагнитной волны.

Таким образом, электромагнитные колебания — это периодические изменения со временем электрических и магнитных величин (заряда, силы тока, напряжения, напряженности, магнитной индукции и др.) в электрической цепи.

Как известно, для создания мощной электромагнитной волны, которую можно было бы зарегистрировать приборами на больших расстояниях от излучающей антенны, необходимо, чтобы частота волны не меньше 0,1 МГц. Колебания таких больших частот невозможно получить от генератора переменного электрического тока, поэтому они подаются на антенну от генератора высокочастотных электромагнитных колебаний, имеющегося в каждом радиопередающем устройстве.

 

Одной из основных частей генератора является колебательный контур — это колебательная система, состоящая из включенных последовательно катушки индуктивностью L, конденсатора емкостью C и резистора сопротивлением R.

Если из такой системы удалить активное сопротивление, то полученный контур будет называться идеальным (или, контуром Томсона).

Рассмотрим свободные электромагнитные колебания, т.е. колебания, происходящие в идеальном колебательном контуре за счет расходования сообщенной этому контуру энергии, которая в дальнейшем не пополняется.

Получим их и удостоверимся в существовании с помощью установки, состоящей из источника тока, конденсатора и катушки.

 

Катушка и конденсатор, соединенные друг с другом через переключатель, составляют колебательный контур. На некоторое время с помощью переключателя зарядим конденсатор, замкнув его на источник тока.

Теперь наш заряженный конденсатор подсоединим обратно с катушкой. Что же происходит дальше.

Так как цепь замкнута (в данном случае через катушку индуктивности), то электроны начнут перемещаться по проводнику от отрицательно заряженной обкладки конденсатора к положительной. Перемещаясь, электроны уравновесят напряжение на обкладках конденсатора и сделают его равным нулю, но в тот момент, когда напряжение на пластинах конденсатора будет нулевым, ток в катушке индуктивности, а, следовательно, и энергия магнитного поля вокруг ее витков, будут максимальными.

При нулевом напряжении ток должен был бы перестать течь, но этого не происходит. А ток продолжает течь из-за явления самоиндукции, т.е. под действием рассеивающегося магнитного поля катушки в проводнике наводится электрический ток, возникает электродвижущая сила самоиндукции, которая двигает электроны. При этом на месте этих электронов остаются «дырки», которые притягивают к себе другие электроны, таким образом, минус конденсатора заряжается положительно, а положительно заряженная обкладка становится отрицательно заряженной.

Затем электрический ток в колебательном контуре вновь течет от минуса к плюсу. Описанное выше повторяется. Когда минус второй раз стал плюсом, а плюс — минусом, говорят, что в колебательном контуре было совершено одно полное колебание. Вот так и происходят электромагнитные колебания в контуре.

Теперь обратимся к истории открытия этих колебаний. Дело все в том, что они были открыты почти случайно.

После того как изобрели лейденскую банку (первый конденсатор) и научились сообщать ей большой заряд с помощью электростатической машины, начали изучать электрический разряд банки. Замыкая обкладки лейденской банки с помощью катушки, обнаружили, что стальные спицы внутри катушки намагничиваются.

В этом ничего удивительного не было: электрический ток и должен намагничивать стальной сердечник катушки.

Странным же было то, что нельзя было предсказать, какой конец сердечника катушки окажется северным полюсом, а какой южным.

Повторяя опыт примерно в одинаковых условиях, получали в одних случаях один результат, а в других другой.

Далеко не сразу поняли, что при разрядке конденсатора через катушку в электрической цепи возникают колебания.

За время разрядки конденсатор успевает много раз перезарядиться, и ток меняет направление много раз, в результате чего сердечник может намагничиваться различным образом.

Известно, что колебания, происходящие только благодаря начальному запасу энергии называются свободными. Период свободных колебаний равен собственному периоду колебательной системы, в данном случае периоду контура. Формула для определения периода свободных электромагнитных колебаний была получена английским физиком Уильямом Томсоном в 1853 г. Она называется формулой Томсона и выглядит так:

Данная формула показывает, что период колебательного контура определяется параметрами составляющих его элементов: индуктивностью катушки и емкостью конденсатора. Из формулы Томсона следует, например, что при уменьшении емкости или индуктивности период колебаний должен уменьшиться, а их частота — увеличиться и, наоборот, при увеличении емкости или индуктивности период колебаний увеличивается, а их частота уменьшается.

Но надо отметить еще одну важную особенность. Изначально между обкладками конденсатора запасено определенное количество энергии. Эта энергия неизбежно будет расходоваться на совершаемую работу, а именно, на передвижение электронов по проводнику, а это означает, что колебания в контуре рано или поздно прекратятся. Но избежать прекращения колебательного процесса в контуре довольно не сложно, для этого необходимо всего лишь подключить контур к источнику тока, который будет вбрасывать внутрь цепи новые порции энергии, не давая энергии израсходоваться полностью. В генераторе это осуществляется автоматически.

Основные выводы:

Колебательный контур — это колебательная система, состоящая из включенных последовательно катушки, конденсатора и активного сопротивления.

Свободные электромагнитные колебания — это колебания, происходящие в идеальном колебательном контуре за счет расходования сообщенной этому контуру энергии, которая в дальнейшем не пополняется.

Период свободных электромагнитных колебаний можно рассчитать с помощью формулы Томсона.

– Из этой формулы следует, что период колебательного контура определяется параметрами составляющих его элементов: индуктивности катушки и емкости конденсатора.

Электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитных волн. Физика, 9 класс: уроки, тесты, задания.

1. Определение

Сложность: лёгкое

1
2. Условия существования электромагнитного поля

Сложность: лёгкое

1
3. Верное утверждение

Сложность: лёгкое

1
4. Источники электромагнитных волн

Сложность: лёгкое

1
5. Создание теории электромагнитного поля

Сложность: лёгкое

1
6. Длина волны

Сложность: лёгкое

1
7. Основные положения теории электромагнитного поля

Сложность: среднее

2
8. Опыт с заряженным телом

Сложность: среднее

2
9. Период колебаний

Сложность: среднее

2
10. Распределение электромагнитных волн

Сложность: среднее

2
11. Радиосигнал с Земли

Сложность: сложное

3
12. Ответный сигнал

Сложность: среднее

3
13. Импульс радиолокатора

Сложность: сложное

3
14. СВЧ-печь

Сложность: сложное

3
15. Свойства электромагнитных волн

Сложность: сложное

6

24.2 Производство электромагнитных волн — Физика колледжа

Мы можем получить хорошее представление об электромагнитных волнах (ЭМ), рассмотрев, как они производятся. Всякий раз, когда ток меняется, связанные с ним электрические и магнитные поля меняются, распространяясь от источника подобно волнам. Возможно, проще всего визуализировать переменный ток в длинном прямом проводе, создаваемый генератором переменного тока в его центре, как показано на рис. 24.5.

Фигура 24.5 Этот длинный прямой серый провод с генератором переменного тока в центре становится широковещательной антенной для электромагнитных волн. Здесь показаны распределения заряда в четыре разных момента времени. Электрическое поле (размер EE 12{E}{}) распространяется от антенны со скоростью света, образуя часть электромагнитной волны.

Электрическое поле (размер EE 12{E} {}), окружающее провод, создается распределением заряда на проводе. Как размер EE 12{E} {}, так и распределение заряда изменяются по мере изменения тока.Меняющееся поле распространяется наружу со скоростью света.

Имеется связанное магнитное поле (размер BB 12{B} {}), которое также распространяется наружу (см. рис. 24.6). Электрические и магнитные поля тесно связаны между собой и распространяются как электромагнитная волна. Это то, что происходит с широковещательными антеннами, например, на радио- и телестанциях.

Более внимательное рассмотрение одного полного цикла, показанного на рис. 24.5, показывает периодическую природу колебаний зарядов, создаваемых генератором, вверх и вниз в антенне, а также создаваемого электрического поля.Во время t=0t=0 размер 12{t=0} {} имеет место максимальное разделение зарядов с отрицательными зарядами вверху и положительными зарядами внизу, создавая максимальную величину электрического поля (или размер EE 12 {E} {}-поле) в направлении вверх. Через четверть цикла разделение зарядов отсутствует, а поле рядом с антенной равно нулю, в то время как максимальный размер ЭЭ 12{E} {}-поля удалится со скоростью cc размера 12{c} {}.

По мере продолжения процесса разделение зарядов меняется на противоположное, и поле достигает своего максимального нисходящего значения, возвращается к нулю и поднимается до своего максимального восходящего значения в конце одного полного цикла.Уходящая волна имеет амплитуду, пропорциональную максимальному разделению заряда. Его длина волны λλ размер 12{ левый (λ правый )} {} пропорционален периоду колебаний и, следовательно, меньше для коротких периодов или высоких частот. (Как обычно, длина волны и частотаff size 12{left (f right)} {} обратно пропорциональны.)

Электрические и магнитные волны: движение вместе

Согласно закону Ампера ток в антенне создает магнитное поле, как показано на рис. 24.6. Соотношение между размером EE 12{E} {} и размером BB 12{B} {} показано в один момент на рис. 24.6 (a). При изменении тока магнитное поле меняется по величине и направлению.

Фигура 24,6 (а) Ток в антенне создает круговые силовые линии магнитного поля. Ток (II размер 12{I} {}) производит разделение заряда вдоль провода, что, в свою очередь, создает электрическое поле, как показано на рисунке. (b) Электрическое и магнитное поля (EE размер 12{E} {} и BB размер 12{B} {}) вблизи провода перпендикулярны; здесь они показаны для одной точки пространства.(c) Магнитное поле зависит от силы тока и распространяется от антенны со скоростью света.

Линии магнитного поля также распространяются от антенны со скоростью света, образуя другую часть электромагнитной волны, как показано на рис. 24.6 (б). Магнитная часть волны имеет тот же период и длину волны, что и электрическая часть, так как обе они создаются одним и тем же движением и разделением зарядов в антенне.

Электрические и магнитные волны показаны вместе в один момент времени на рисунке 24.7. Электрические и магнитные поля, создаваемые антенной с длинным прямым проводом, точно совпадают по фазе. Обратите внимание, что они перпендикулярны друг другу и направлению распространения, что делает эту волну поперечной.

Фигура 24,7 Часть электромагнитной волны, излучаемой антенной в один момент времени. Электрическое и магнитное поля (размер EE 12{E} {} и размер BB 12{B} {}) находятся в фазе, и они перпендикулярны друг другу и направлению распространения.Для наглядности волны показаны только в одном направлении, но они распространяются и в других направлениях.

Электромагнитные волны обычно распространяются от источника во всех направлениях, иногда образуя сложную диаграмму направленности. Например, линейная антенна, подобная этой, не будет излучать параллельно своей длине. Волна показана в одном направлении от антенны на рис. 24.7, чтобы проиллюстрировать ее основные характеристики.

Вместо генератора переменного тока антенна также может питаться от цепи переменного тока.На самом деле заряды излучают всякий раз, когда они ускоряются. Но в то время как току в цепи нужен полный путь, антенна имеет различное распределение заряда, образуя стоячую волну, движимую переменным током. Размеры антенны имеют решающее значение для определения частоты излучаемых электромагнитных волн. Это резонансное явление, и когда мы настраиваем радиоприемник или телевизор, мы изменяем электрические свойства, чтобы добиться соответствующих резонансных условий в антенне.

Прием электромагнитных волн

Электромагнитные волны уносят энергию от источника подобно звуковой волне, уносящей энергию от стоячей волны на гитарной струне.Антенна для приема ЭМ сигналов работает наоборот. И подобно антеннам, излучающим электромагнитные волны, приемные антенны специально разработаны для того, чтобы резонировать на определенных частотах.

Входящая электромагнитная волна ускоряет электроны в антенне, создавая стоячую волну. Если радио или телевизор включены, электрические компоненты улавливают и усиливают сигнал, образованный ускоряющимися электронами. Затем сигнал преобразуется в аудио- и/или видеоформат. Иногда для фокусировки сигнала на антенну используются большие приемные тарелки.

На самом деле заряды излучают всякий раз, когда они ускоряются. При проектировании цепей мы часто предполагаем, что энергия не может быстро уйти из цепей переменного тока, и в основном это правда. Радиовещательная антенна специально разработана для увеличения скорости электромагнитного излучения, и экранирование необходимо, чтобы излучение оставалось близким к нулю. Некоторые известные явления основаны на генерации электромагнитных волн переменными токами. Ваша микроволновая печь, например, посылает электромагнитные волны, называемые микроволнами, от скрытой антенны, на которую наложен колебательный ток.

Относительный размер поля EE 12{E} {} и напряженность поля размера BB 12{B} {}

Существует взаимосвязь между величиной ЭЭ 12{E} {}- и величиной BB 12{B} {}-напряженности поля в электромагнитной волне. Это можно понять, снова рассмотрев только что описанную антенну. Чем сильнее ЭЭ размером 12{E} {}-поле, создаваемое разделением зарядов, тем больше ток и, следовательно, тем больше создаваемое BB размером 12{B} {}-поле.

Поскольку ток прямо пропорционален напряжению (закон Ома), а напряжение прямо пропорционально напряженности поля размера EE 12{E} {}, они должны быть прямо пропорциональны.Можно показать, что величины полей действительно имеют постоянное отношение, равное скорости света. То есть

EB=cEB=c размер 12{ { {E} над {B} } =c} {}

24,3

– это отношение напряженности поля EE размера 12{E} {} к напряженности поля размера BB 12{B} {} в любой электромагнитной волне. Это верно во все времена и во всех местах в космосе. Простой и элегантный результат.

Пример 24.1

Расчет размера BB 12{B} {}-напряженность поля в электромагнитной волне

Какова максимальная напряженность поля ВВ размером 12{B} {} в электромагнитной волне, имеющей максимальную напряженность поля ЭЭ размера 12{E} {} 1000 В/м1000 В/м размера 12{«1000 » {V} косая черта {m} } {}?

Стратегия

Чтобы найти напряженность поля BB размером 12{B} {}, мы преобразуем приведенное выше уравнение, чтобы решить для BB размера 12{B} {}, что дает

В=Эк.В=Эк. размер 12{B= {{E} над {c} } } {}

24,4

Решение

Нам дан размер EE 12{E} {}, а размер cc 12{c} {} — это скорость света. Ввод их в выражение для размера BB 12{B} {} дает

B=1000 В/м3,00 × 108 м/с= 3,33×10-6 Тл, B=1000 В/м3,00×108 м/с= 3,33×10-6 Тл, размер 12{B = { {» 1000 В/м»} свыше {3 «.» «00 » раз » 10″ rSup {размер 8{8} } » м/с»} } =» 3″ «.» «33» умножить на «10» rSup {размер 8{ +- 6} } «T»} {}

24,5

Где T означает Тесла, мера напряженности магнитного поля.

Обсуждение

Напряженность поля 12{B}{} размера ЧБ составляет менее одной десятой от общепризнанно слабого магнитного поля Земли. Это означает, что относительно сильное электрическое поле 1000 В/м сопровождается относительно слабым магнитным полем. Обратите внимание, что по мере того, как эта волна распространяется, скажем, по мере удаления от антенны, ее напряженность поля становится все слабее.

Результат этого примера согласуется с утверждением, сделанным в модуле «Уравнения Максвелла: предсказанные и наблюдаемые электромагнитные волны», что изменяющиеся электрические поля создают относительно слабые магнитные поля.Однако их можно обнаружить в электромагнитных волнах, воспользовавшись явлением резонанса, как это сделал Герц. Систему с той же собственной частотой, что и электромагнитная волна, можно заставить колебаться. Все радио- и телеприемники используют этот принцип, чтобы улавливать, а затем усиливать слабые электромагнитные волны, отбрасывая при этом все остальные не на их резонансной частоте.

Самостоятельный эксперимент: антенны

Для домашнего телевизора или радио определите антенну и нарисуйте ее форму.Если у вас нет кабеля, у вас может быть наружная или внутренняя телевизионная антенна. Оцените его размер. Если телевизионный сигнал находится в диапазоне от 60 до 216 МГц для основных каналов, то какова длина волны этих электромагнитных волн?

Попробуйте настроить радио и обратите внимание на небольшой диапазон частот, на котором принимается разумный сигнал для этой станции. (Это проще с цифровым считыванием.) Если у вас есть автомобиль с радио и выдвижной антенной, обратите внимание на качество приема при изменении длины антенны.

Исследования ФЕТ

Радиоволны и электромагнитные поля

Трансляция радиоволн из КФЭТ. Покачивайте электрон передатчика вручную или заставьте его колебаться автоматически. Отобразите поле в виде кривой или векторов. Ленточная диаграмма показывает положение электронов на передатчике и на приемнике.

7.2 Производство электромагнитных волн

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Описать электрические и магнитные волны, когда они распространяются от источника, такого как генератор переменного тока
  • Объясните математическую связь между напряженностью магнитного поля и напряженностью электрического поля
  • Рассчитать максимальную напряженность магнитного поля в электромагнитной волне, учитывая максимальную напряженность электрического поля

Информация, представленная в этом разделе, поддерживает следующие цели обучения и научные практики AP®:

  • 6.A.1.1 Учащийся может использовать визуальное представление для построения объяснения различия между поперечными и продольными волнами, сосредоточив внимание на вибрации, порождающей волну. (СП 6.2)
  • 6.A.1.2 Учащийся может описать представления поперечных и продольных волн. (СП 1.2)
  • 6.A.2.2 Учащийся способен противопоставить механические и электромагнитные волны с точки зрения необходимости среды для распространения волн. (СП 6.4, 7.2)
  • 6.B.3.1 Учащийся может составить уравнение, связывающее длину волны и амплитуду волны, исходя из графического представления значения электрического или магнитного поля в зависимости от положения в данный момент времени и наоборот, или построить уравнение, связывающее частоту или период и амплитуду волны по графическому представлению значения электрического или магнитного поля в данной точке как функции времени и наоборот. (СП 1.4)
  • 6.F.2.1 Учащийся может описать представления и модели электромагнитных волн, которые объясняют передачу энергии в отсутствие среды. (СП 1.1)

Мы можем получить хорошее представление об электромагнитных волнах (ЭМ), если рассмотрим, как они возникают. Всякий раз, когда ток меняется, связанные с ним электрические и магнитные поля меняются, распространяясь от источника подобно волнам. Возможно, проще всего визуализировать переменный ток в длинном прямом проводе, создаваемый генератором переменного тока в его центре, как показано на рисунке 7.5.

Рис. 7.5 Этот длинный прямой серый провод с генератором переменного тока в центре становится широковещательной антенной для электромагнитных волн. Здесь показаны распределения заряда в четыре разных момента времени. Электрическое поле (Е)(Е) величиной 12{Е} {} распространяется от антенны со скоростью света, образуя часть электромагнитной волны.

Электрическое поле (E)(E) размером 12{E} {}, окружающее провод, создается распределением заряда на проводе. Как размер EE 12{E} {}, так и распределение заряда изменяются по мере изменения тока.Меняющееся поле распространяется наружу со скоростью света.

Имеется связанное магнитное поле (B)(B) размером 12{B} {}, которое также распространяется наружу (см. рис. 7.6). Электрические и магнитные поля тесно связаны между собой и распространяются как электромагнитная волна. Это то, что происходит с широковещательными антеннами, например, на радио- и телестанциях.

Более внимательное рассмотрение одного полного цикла, показанного на рис. 7.5, показывает периодическую природу колебаний зарядов, создаваемых генератором, вверх и вниз в антенне, а также создаваемого электрического поля.Во время t=0t=0 размера 12{t=0} {} происходит максимальное разделение зарядов с отрицательными зарядами вверху и положительными зарядами внизу, что создает максимальную величину электрического поля или E, E, размер поля 12 {E} {}, в направлении вверх. Через четверть цикла разделение зарядов отсутствует, а поле рядом с антенной равно нулю, в то время как максимальное поле E-E-размера 12{E} {}удалилось со скоростью c.c. размер 12{с} {}

По мере продолжения процесса разделение зарядов меняется на противоположное, и поле достигает своего максимального нисходящего значения, возвращается к нулю и поднимается до своего максимального восходящего значения в конце одного полного цикла.Уходящая волна имеет амплитуду, пропорциональную максимальному разделению заряда. Его длина волны λλ размер 12{ левый (λ правый )} {} пропорционален периоду колебаний и, следовательно, меньше для коротких периодов или высоких частот. Как обычно, длина волны и частотаff size 12{left (f right)} {} обратно пропорциональны.

Rectennas: преобразование радиоволн в электричество — Электротехника и вычислительная техника — Инженерный колледж

28 мая 2019 г.

Нас постоянно окружает энергия в виде электромагнитных волн.Было бы неплохо, если бы мы могли этим воспользоваться? В недавно опубликованной статье в журнале Nature будущий преподаватель Университета Карнеги-Меллона доктор Сюй Чжан и соавторы описывают новое устройство, которое может заряжать электронику с помощью энергии радиочастотных волн, включая сигналы Wi-Fi. .

Беспроводная передача энергии, задуманная Николой Теслой, стала возможной в 1960-х годах с изобретением ректенны. Сочетание слов «выпрямление» и «антенна», ректенны — это приемные антенны, которые преобразуют энергию электромагнитных волн в электричество.Одним из известных примеров являются пассивные RFID-карты: когда они находятся в пределах досягаемости, метки могут использовать энергию радиоволн, излучаемых считывателем, для передачи своих идентифицирующих данных.

Сигналы Wi-Fi

также состоят из радиоволн. Приемные антенны могут без проводов собирать электромагнитное излучение в сетях Wi-Fi (2,4 ГГц и 5,9 ГГц), глобальном спутниковом позиционировании (1,58 ГГц и 1,22 ГГц), сотовой связи четвертого поколения (4G) (1,7 ГГц и 1,9 ГГц) и Bluetooth. (2,4 ГГц) и преобразуют энергию этих электромагнитных волн в переменный ток (AC).Затем электричество переменного тока направляется в выпрямитель, который преобразует его в электричество постоянного тока (DC).

Раньше для устройств, способных эффективно собирать радиочастотную энергию, требовались жесткие материалы. Устройство, над которым работают эти исследователи, является новым, поскольку оно имеет гибкую двумерную ректенну, превосходящую все предыдущие гибкие ректенны.

Они делают это с помощью выпрямителя, изготовленного из слоя дисульфида молибдена (MoS2) толщиной всего 3 атома. При такой толщине MoS2 ведет себя иначе, чем объемный материал — атомы перестраиваются под воздействием определенных химических веществ.Это означает, что материал может вести себя как переключатель, переходя от полупроводниковой структуры к металлической. MoS2 создает так называемый диод Шоттки, соединение полупроводника и металла. Диод, описанный в их статье, может преобразовывать сигналы на более высоких частотах, потому что его структура уменьшает дополнительную энергию, хранящуюся в некоторых материалах, используемых в электронике, известную как паразитная емкость. Дизайн исследователей снижает паразитную емкость на порядок по сравнению с современными гибкими выпрямителями, что означает, что они могут улавливать ранее неуловимые радиоволны высокочастотного диапазона Wi-Fi.

«Такая конструкция позволила создать полностью гибкое устройство, достаточно быстрое, чтобы охватить большинство диапазонов радиочастот, используемых нашей повседневной электроникой, включая Wi-Fi, Bluetooth, сотовую связь LTE и многие другие», — говорит первый автор Сюй Чжан. Доктор Чжан, который в настоящее время является научным сотрудником Массачусетского технологического института, присоединится к нам в Карнеги-Меллон в качестве доцента кафедры электротехники и вычислительной техники в сентябре. В документе перечислены 15 других соавторов из Массачусетского технологического института, Мадридского технического университета, Армейской исследовательской лаборатории, Мадридского университета Карла III, Бостонского университета и Университета Южной Калифорнии.

Авторы описывают свою конструкцию как строительный блок: что-то, что можно интегрировать и обеспечить питанием для быстро развивающегося мира гибких электронных систем. Листы MoS2 для выпрямителей можно производить недорого, что позволяет исследователям увидеть приложение «умной кожи»: распределенную сеть датчиков, покрывающих и предоставляющих информацию о наших зданиях и инфраструктуре.

Другое потенциальное применение этой технологии — медицинские устройства.Соавтор Хесус Грахаль из Технического университета Мадрида говорит, что они могли бы позволить имплантируемым медицинским устройствам передавать данные о здоровье пациентов, поскольку нас постоянно окружают радиоволны в виде сигналов Wi-Fi, Bluetooth и сотовой связи. Это дает преимущество по сравнению с современными технологиями литий-ионных аккумуляторов, которые могут быть фатальными, если они протекут, и имеют гораздо более ограниченную емкость из-за нехватки места и химических проблем.

В настоящее время устройство может производить 40 микроватт при типичном уровне мощности Wi-Fi, что достаточно для питания светодиода или кремниевого чипа.Он еще не производит достаточно энергии для зарядки умных часов, но авторы планируют продолжить свою работу по созданию массивов этих устройств, которые могут масштабироваться для обеспечения количества энергии, необходимого для этих устройств, создавая мир самоподдерживающейся электроники. .

Оригинальный постер истории здесь.

Источник изображения: Ребекка Энрайт

Прием электромагнитных волн | Электромагнитные волны

Прием электромагнитных волн

Электромагнитные волны уносят энергию от своего источника подобно звуковой волне, уносящей энергию от стоячей волны на гитарной струне.Антенна для приема ЭМ сигналов работает наоборот. И подобно антеннам, излучающим электромагнитные волны, приемные антенны специально разработаны для того, чтобы резонировать на определенных частотах.

Входящая электромагнитная волна ускоряет электроны в антенне, создавая стоячую волну. Если радио или телевизор включены, электрические компоненты улавливают и усиливают сигнал, образованный ускоряющимися электронами. Затем сигнал преобразуется в аудио- и/или видеоформат. Иногда для фокусировки сигнала на антенну используются большие приемные тарелки.

На самом деле заряды излучают всякий раз, когда они ускоряются. При проектировании цепей мы часто предполагаем, что энергия не может быстро уйти из цепей переменного тока, и в основном это правда. Радиовещательная антенна специально разработана для увеличения скорости электромагнитного излучения, и экранирование необходимо, чтобы излучение оставалось близким к нулю. Некоторые известные явления основаны на генерации электромагнитных волн переменными токами. Ваша микроволновая печь, например, посылает электромагнитные волны, называемые микроволнами, от скрытой антенны, на которую наложен колебательный ток.{c}\)

\(a_{b}\)

\(\sqrt{a}\)

\(\sqrt[b]{a}\)

\(\frac{a}{ б}\)

\(\cfrac{a}{b}\)

\(+\)

\(-\)

\(\times\)

\(\div\)

\(\pm\)

\(\cdot\)

\(\amalg\)

\(\ast\)

\(\barwedge\)

\(\bigcirc\)

\( \bigodot\)

\(\bigoplus\)

\(\bigotimes\)

\(\bigsqcup\)

\(\bigstar\)

\(\bigtriangledown\)

\(\bigtriangledown\)

\(\bigtriangledown\) \)

\(\blacklozenge\)

\(\blacksquare\)

\(\blacktriangle\)

\(\blacktriangledown\)

\(\bullet\)

\(\cap\)

\(\чашка\)

\(\circ\)

\(\circledcirc\)

\(\dagger\)

\(\ddagger\)

\(\diamond\)

\(\dotplus\)

\(\ромб\)

\(\mp\)

\(\ominus\)

\(\oplus\)

\(\oslash\)

\(\otimes\)

\(\setminus\)

\( \sqcap\)

\(\sqcup\)

\(\square\)

\(\star\)

\(\triangle\)

\(\triangledown\)

\(\triangleleft \)

\(\Cap\)

\(\Cup\)

\(\upplus\)

\(\vee\)

\(\veebar\)

\(\клин\)

\(\wr\)

\(\следовательно\)

\(\left ( a \right )\)

\(\left \| a \right \|\)

\(\left [ a \right ]\)

\(\left \{ a \right \}\)

\(\left \lceil a \right \rceil\)

\(\слева \lпол a \справа \rпол\)

\(\слева ( a \справа )\)

\(\vert a \vert\)

\(\leftarrow\)

\ (\leftharpoondown\)

\(\leftharpoonup\)

\(\leftrightarrow\)

\(\leftrightharpoons\)

\(\mapsto\)

\(\rightarrow\)

\(\ rightharpoondown\)

\(\rightharpoonup\)

\(\rightleftharpoons\)

\(\to\)

\(\Стрелка влево\)

\(\Стрелка влево\)

\(\Стрелка вправо\)

\(\Стрелка вправо\) )

\(\overset{a}{\leftarrow}\)

\(\overset{a}{\rightarrow}\)

\(\приблизительно \)

\(\asymp \)

\ (\cong \)

\(\dashv \)

\(\doteq \)

\(= \)

\(\equiv \)

\(\frown \)

9000 2 \(\geq \)

\(\geqslant \)

\(\gg \)

\(\gt \)

\(| \)

\(\leq \)

\(\leqslant \)

\(\ll \)

\(\lt \)

\(\models \)

\(\neq \)

\(\ngeqslant \)

\(\ngtr \)

\(\nleqslant \)

\(\nless \)

\(\not\equiv \)

\(\overset{\ underset{\mathrm{def}}{}}{=} \)

\(\parallel \)

\(\perp \)

\(\prec \)

\(\preceq \)

\(\sim\)

\(\simeq\)

\(\smile\)

\(\succ\)

\(\succeq\)

\(\vdash\)

\( \in \)

\(\ni \)

\(\notin \)

\(\nsubseteq \)

\(\nsupseteq \)

\(\sqsubset \)

\(\sqsubseteq \)

\(\sqsupset \)

\(\sqsupseteq \)

\(\subset \)

\(\subseteq \)

\(\subseteqq \)

\(\supseteqq \)

\)

\(\супсете q \)

\(\supseteqq \)

\(\emptyset\)

\(\mathbb{N}\)

\(\mathbb{Z}\)

\(\mathbb{Q} \)

\(\mathbb{R}\)

\(\mathbb{C}\)

\(\alpha\)

\(\beta\)

\(\gamma\)

\(\delta\)

\(\epsilon\)

\(\zeta\)

\(\eta\)

\(\theta\)

\(\iota\)

\( \kappa\)

\(\lambda\)

\(\mu\)

\(\nu\)

\(\xi\)

\(\pi\)

\(\rho \)

\(\sigma\)

\(\tau\)

\(\upsilon\)

\(\phi\)

\(\chi\)

\(\psi\)

\(\omega\)

\(\Gamma\)

\(\Delta\)

\(\Theta\)

\(\Lambda\)

\(\Xi\)

3

\(\Pi\)

\(\Sigma\)

\(\Ипсилон\)

\(\Phi\)

\(\Ps i\)

\(\Omega\)

\((a)\)

\([a]\)

\(\lbrace{a}\rbrace\)

\(\frac{a +b}{c+d}\)

\(\vec{a}\)

\(\binom {a} {b}\)

\({a \brack b}\)

\ ({a \brace b}\)

\(\sin\)

\(\cos\)

\(\tan\)

\(\cot\)

\(\sec\)

\(\csc\)

\(\sinh\)

\(\cosh\)

\(\tanh\)

\(\coth\)

\(\bigcap {a}\)

\(\bigcap_{b}^{} a\)

\(\bigcup {a}\)

\(\bigcup_{b}^{} a\)

\(\coprod {a} \)

\(\coprod_{b}^{} a\)

\(\prod {a}\)

\(\prod_{b}^{} a\)

\(\sum_{ a=1}^b\)

\(\sum_{b}^{} a\)

\(\sum {a}\)

\(\underset{a \to b}\lim\)

\(\int {a}\)

\(\int_{b}^{} a\)

\(\iint {a}\)

\(\iint_{b}^{} а\)

\(\int_{a}^{b}{c}\)

\(\iint_{a}^{b}{c}\)

\(\iiint_{a}^{ b}{c}\)

\(\oint{a}\)

\(\oint_{b}^{} a\)

Редактировать математику с помощью TeX:

Cookies — это небольшие файлы, которые хранятся на вашем браузер.Мы используем файлы cookie и аналогичные технологии, чтобы обеспечить правильную работу нашего веб-сайта, персонализировать ваш просмотр, анализировать, как вы используете наш веб-сайт, и показывать вам релевантную рекламу. По этим причинам мы можем передавать данные об использовании вашего сайта нашим партнерам по социальным сетям, рекламе и аналитике. Таким образом, мы используем файлы cookie, чтобы обеспечить вам максимальное удобство на нашем веб-сайте. Вы можете узнать больше о том, как мы используем файлы cookie, посетив нашу страницу политики конфиденциальности. OkayПолитика конфиденциальности

Влияние окружающей среды на распространение электромагнитных волн в цифровых радиорелейных устройствах GRC 408E — DOAJ

Abstract

Читать онлайн

Качество передачи цифровых сигналов от передающего радиорелейного устройства к приемному зависит от влияния воздействия окружающей среды на распространение электромагнитных волн.В этой статье объясняются и моделируются некоторые наиболее важные эффекты, особенно характерные для частотного диапазона, в котором работает GRC 408E. По результатам моделирования сделаны выводы о качестве передачи цифровых сигналов в радиорелейной аппаратуре GRC 408E. Распространение электромагнитных волн Радиорелейная связь осуществляется прямыми электромагнитными волнами при наличии прямой видимости между передающей и приемной антеннами радиорелейного устройства.Электромагнитные волны на дороге подвергаются различным воздействиям окружающей среды, вызывая такие явления, как изгиб, отражение, преломление, поглощение и многократное распространение. Из-за этих воздействий окружающей среды качество передачи информации неудовлетворительное, а радиорелейная связь ненадежна. Подход к анализу качества каналов в цифровых радиорелейных устройствах отличается от такового в аналоговых радиорелейных устройствах. Поэтому качество видно по ошибкам в принятом бите (BER), учитываются условия распространения, другими средствами определяется резерв на замирание и т.д.. Явления, сопровождающие распространение электромагнитных волн в цифровых радиорелейных линиях Распространение прямых ЭМ волн сопровождается следующими явлениями: — затухание при распространении, — дифракция (изменение таблицы), — преломление (преломление), — отражение (отказ от ), — поглощение (поглощение) и — многократное распространение волн. Каждый из них отрицательно влияет на качество принимаемого сигнала на приемной антенне радиорелейного устройства. Затухание за счет распространения электромагнитных волн Основным параметром для оценки качества радиорелейных линий связи является уровень поля на приеме, т.е.е. мощность сигнала, принимаемого на входе приемника. Ошибка в принятом бите (BER) является функцией принимающего поля. При уменьшении уровня поля BER увеличивается, и наоборот. Уровень принимающего поля при отсутствии запаса называется номинальным уровнем принимающего поля. Разница между номинальным уровнем и порогом приема представляет собой запас или бюджет на замирания для данного BER. Дифракция — явление, сопровождающее распространение электромагнитных волн и свидетельствующее об их способности огибать рельеф, неровности поверхностей и другие препятствия при распространении в окружающей среде.Дифракцию рассматривают, когда препятствия на пути распространения электромагнитных волн попадают в первую зону Френеля, потому что тогда возникает ошибка в передаче информации. Рефракция — это преломление электромагнитных волн в нижних слоях атмосферы и обусловлено ее неоднородностью. Верхняя часть фронта ЭМ волны движется быстрее, и волна изгибается к Земле. Явление наклона ЭМ волны к Земле называется преломлением. Отражение При распространении электромагнитных волн вблизи поверхности Земли часть фронта волны, отраженная от поверхности Земли, может вместе с прямыми электромагнитными волнами попадать в приемную антенну радиорелейной аппаратуры.ЭМ волны (прямая и отраженная) векторно суммируются в приемнике, давая результирующую ЭМ волну. Это может вызвать существенное уменьшение результирующего поля по сравнению с полем в идеальных условиях, что приводит к увеличению погрешности. Поглощение или поглощение электромагнитных волн происходит во всех диапазонах частот и означает более высокий или более низкий уровень затухания электромагнитных волн. Это учитывается в цифровых радиорелейных устройствах, работающих в диапазоне частот свыше 7 ГГц.Многократное распространение электромагнитных волн ЭМ-волны от передатчика могут достигать приемника разными путями, и такое распространение ЭМВ известно в литературе как многократное распространение ЭМ-волн. Результатом многократного распространения может быть уменьшение напряженности ЭМ поля или его полное исчезновение. Это явление называется замиранием. Затухание Замирание вызвано кратковременным ослаблением электромагнитных волн при приеме. При распространении ЭМВ происходит взаимодействие ЭМ волн с объектами, в результате чего в точке приема появляются многочисленные копии полезных сигналов с разной амплитудой и величиной задержки, что делает результирующее ЭМ поле неустойчивым.Большое количество копий полезного сигнала при приеме обусловлено эффектами воздействия окружающей среды на распространение электромагнитных волн по трассе, такими как отражение, преломление, дифракция и их сочетание. Общие потери равны сумме ослабления распространения и ослабления замираний. Замирания делятся на замирания при распространении и замирания из-за помех. Затухание при распространении обычно медленное и не зависит от частоты. Интерференционное затухание происходит из-за появления многократного распространения ЭМ волны и может быть плоским или селективным.Плоские замирания одинаковы во всем диапазоне частот. При селективном замирании происходит ухудшение основных сигналов, т.е. межсимвольные помехи, которые присутствуют в устройствах РР, работающих на более высоких частотах с потоком данных около 34 Мбит/с и выше. Модель радиорелейной системы и результаты моделирования В работе рассматривается модель, представленная на рис. 2. Устройства GRC 408E RR предполагается встраивать в мобильные операторские центры. Моделируются следующие явления: затухание из-за распространения, дифракция, отражение и затухание.Каждое явление моделируется для типичных случаев. Входной сигнал в устройстве GRC RR 408E представляет собой случайную двоичную последовательность, модулированную устройством модуляции, предоставленным RR. Такой сигнал распространяется через конкретную среду к приемной антенне устройства RR. В точке приема сравнивают переданный и принятый сигнал, чтобы найти ошибку из-за влияния некоторых моделируемых явлений. Результаты моделирования представлены графически для различных эффектов воздействия окружающей среды на распространение ЭМ волн в цифровых устройствах RR.Графики показывают ошибки, возникающие при распространении электромагнитных волн. Заключение Моделирование влияния окружающей среды на распространение ЭМ волн в цифровых устройствах RR может показать влияние окружающей среды на распространение ЭМ волн, а также на качество передаваемых сигналов. Сделан вывод о том, что выбор местности для установки узла мобильной связи имеет важное значение для качественной передачи сигнала. Для качественной передачи цифровых сигналов в устройствах РР важно и другое требование – наличие прямой видимости и свободной первой зоны Френеля.Если в аналоговых устройствах РР условия распространения ЭМВ не являются ключевым фактором при расчете качества связи, то результаты моделирования показывают, что условия распространения в цифровых устройствах РР являются важным фактором при расчете качества связи. Полученные результаты полезны для моделирования устройств РР в центрах мобильной связи и для инженеров, работающих над основным проектированием систем связи в сербской армии. Следующей целью является моделирование влияния окружающей среды на распространение электромагнитных волн в цифровых устройствах GRC RR 408E/34, работающих в более высоком диапазоне частот и с более высокими скоростями передачи данных.

Ключевые слова

Термины и определения антенн

Антенна: Антенна — это устройство, передающее и/или принимающее электромагнитные волны. Электромагнитные волны часто называют радиоволнами. Большинство антенн представляют собой резонансные устройства, эффективно работающие в относительно узком диапазоне частот. Антенна должна быть настроена на тот же диапазон частот, в котором работает радиосистема, к которой она подключена, иначе прием и/или передача будут нарушены.

Коэффициент антенны: Коэффициент антенны (AF) определяется как отношение падающего электромагнитного поля к выходному напряжению антенны.


Апертура: Апертура — это отверстие или отверстие, для антенн обычно этот термин относится к отверстию рупорной антенны.


Балун: Аббревиатура от Balanced/Unbalance. Обычно ВЧ-преобразователь используется для соединения симметричной линии передачи с несимметричной антенной системой.


Биконическая антенна: Широкополосная антенна, состоящая из двух конусов/элементов. Этот тип антенны часто используется для проверки соответствия; испытание на помехоустойчивость и тип излучения.


Широкополосная антенна: Антенна, способная работать в широком диапазоне частот.


Направленность: Это мера того, насколько сфокусирована диаграмма покрытия антенны в заданном направлении. Теоретический антенный элемент без потерь, называемый изотропным элементом, имеет направленное усиление 0 дБи, равномерно распределенное по всем трем измерениям.Для достижения более высокого направленного усиления антенны обычно проектируются так, чтобы фокусировать или концентрировать диаграмму направленности антенны только в направлении радиолинии, тем самым максимально увеличивая потребление энергии.

Динамический диапазон: Диапазон мощности между максимальным и минимальным сигналом, который можно измерить.

Электрическое поле (E-поле): Электрическое поле или E-поле — это эффект, создаваемый электрическим зарядом, который оказывает силу на заряженные объекты поблизости.


Дальнее поле: Дальнее поле соответствует расстоянию между источником РЧ и измерительной антенной, достаточно большому, чтобы энергия излучалась от источника только в радиальном направлении. Поля E и H взаимно перпендикулярны этому направлению и друг другу, и их отношение составляет 377 Вт, импеданс свободного пространства.


Отношение фронт-к-тылу: Это отношение представляет собой коэффициент усиления основного лепестка, деленный на коэффициент усиления заднего лепестка. Так как коэффициенты усиления антенны и отношения фронт-тыл обычно указываются в дБ, вы обычно получаете показатель фронт-тыл, вычитая усиление назад из усиления вперед (оба в дБ).

Усиление: Отношение сигнала, обычно выражаемого в дБ, принимаемого или передаваемого данной антенной по сравнению с изотропной или дипольной антенной. Усиления антенны можно добиться, только сделав антенну направленной, то есть с лучшими характеристиками в одном направлении, чем в других.


Ширина луча половинной мощности: Ширина луча половинной мощности — это угловое расстояние на эфирной стороне пикового поля или главного лепестка антенны, которое представляет половину пиковой интенсивности поля.Половина мощности эквивалентна -3 дБ, поэтому ширину луча при половинной мощности также иногда называют шириной луча 3 дБ.


Изотропный излучатель: Теоретическая точка источника, излучающая равномерно во всех направлениях по сфере с центром в источнике.


Магнитное поле (Н-поле): Измеренная напряженность магнитного поля в определенной точке. Обычно выражается в амперах/метр.


Потери из-за несоответствия — это измерение, описывающее количество мощности, которая не будет доступна на нагрузке из-за отраженной волны.Он указывает количество мощности, потерянной в системе из-за несоответствия импедансов.


Ближнее поле: Ближняя область антенны, в которой угловое распределение поля зависит от расстояния до антенны.


Поляризация: Поляризация определяется как ориентация электрического поля электромагнитной волны. Поляризация в общем случае описывается эллипсом. Двумя часто используемыми частными случаями эллиптической поляризации являются линейная поляризация и круговая поляризация.Начальная поляризация радиоволны определяется антенной, которая запускает волны в космос. Среда, через которую проходит радиоволна на пути от передающей антенны к приемной, может вызвать изменение поляризации.

При линейной поляризации вектор электрического поля остается в одной плоскости. При круговой поляризации вектор электрического поля вращается по кругу вокруг направления распространения

Выбор поляризации является одним из возможных вариантов проектирования, доступных разработчику радиочастотной системы.Например, низкочастотные (менее 1 МГц) вертикально поляризованные радиоволны гораздо успешнее распространяются вблизи земли, чем горизонтально поляризованные радиоволны, потому что горизонтально поляризованные волны будут подавляться отражениями от земли. Волны систем мобильной радиосвязи обычно имеют вертикальную поляризацию. Телевещание приняло горизонтальную поляризацию в качестве стандарта. Этот выбор был сделан, чтобы максимизировать отношение сигнал/шум. На частотах выше 1 ГГц мало оснований для выбора горизонтальной или вертикальной поляризации, хотя в конкретных приложениях может быть некоторое возможное преимущество в одном или другом.Также было обнаружено, что круговая поляризация имеет преимущество в некоторых приложениях микроволновых радаров для минимизации «помех» эхо-сигналов, получаемых от капель дождя, по сравнению с эхо-сигналами от более крупных целей, таких как самолеты. Круговая поляризация также может использоваться для уменьшения многолучевости.


Диаграмма излучения: Диаграмма относительной интенсивности излучения (или мощности) в зависимости от направления. График излучаемой энергии от антенны. Изменение напряженности поля антенны как угловая функция относительно оси.


Коэффициент отражения показывает, какая часть электромагнитной волны отражается неоднородностью импеданса в передающей среде. Это отношение амплитуды отраженной волны к волне, падающей на стык. Величина коэффициента отражения не зависит от длины линии, только от импеданса нагрузки и импеданса линии передачи.


КСВ: Когда электрическая волна проходит через различные части антенной системы (радио, фидер, антенна, свободное пространство), она может столкнуться с различиями в импедансе.На каждой границе раздела некоторая часть энергии волны будет отражаться обратно к источнику, образуя стоячую волну в линии подачи. Отношение максимальной мощности к минимальной мощности в волне может быть измерено и называется коэффициентом стоячей волны (КСВ). КСВ 1:1 является идеальным. КСВ 1,5:1 считается минимально приемлемым в приложениях с низким энергопотреблением, где потери мощности более критичны, хотя КСВ до 6:1 все же можно использовать с подходящим оборудованием. Минимизация различий импеданса на каждом интерфейсе уменьшит КСВ и максимизирует передачу мощности через каждую часть антенной системы.


Длина волны: Длина волны — это расстояние между повторяющимися единицами волнового узора. Его обычно обозначают греческой буквой лямбда (λ).


Диапазон X: Диапазон частот от 8 ГГц до 12 ГГц.


(PDF) Распространение электромагнитных волн через препятствия

Теорема взаимности Рэлея-Карсона или теория рассеяния плоских волн [4]. Для инженеров

, работающих в частотной области на одной частоте или в узкой полосе частот, этот член

j просто составляет член фазового сдвига на 90 градусов, т.е.е. преобразует синусоиду

частотной области в косинусоидальную волну. Это было проигнорировано в классической конструкции антенны в частотной области

, и все предполагали, что коэффициент усиления антенны идентичен как для

передачи, так и для приема. Однако во временной области этот член j имеет резко

эффект дифференцирования или интегрирования, в зависимости от использования антенны

.Стационарный фазовый метод для плоских антенн апертуры дает

 

  

  Syx Dydxyjkxjkyxcrtj

Cr

J) EXP () 0 ,, (

2

1

) / (exp

COS

) (T

ERE





(2)

(2)

, где Et — поле диафрагмы и KX, KY являются компонентами вектора распространения K. Это показывает диафрагма

. ответ антенны определяется дифференцированием по члену j.Для небольших антенн

усиление почти постоянно, и поэтому отклик не меняется (дифференцируется).

Таким образом, апертурные антенны анализируются с использованием (2) с учетом того факта, что для более низких

частот их следует рассматривать как небольшие антенны. Невозможно указать точный предел

между малыми и апертурными антеннами. Таким образом, предел был выбран произвольно

с учетом асимптотического поведения этих антенн.Коэффициент усиления апертурных антенн равен

по (1), а коэффициент усиления малых антенн G  1. Поэтому предел выбирается по (1) для

G = 1 с учетом эффективной площади Ae = A

T, где A — площадь апертуры, а

T — эффективность апертуры

(конусность). Грубая оценка для

T равна 0,8 (обычно от 0,5 до 1 – см. примеры в [5]).

С другой стороны, согласно (1), характеристика приемной антенны будет интегрирована из-за члена

1/(j) для небольших антенн, а характеристика не изменится для антенн с плоской апертурой.

Естественно, выбран тот же предел между малогабаритными и апертурными антеннами.

3 СПЕКТРЫ АНТЕННЫ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ

Были рассмотрены различные входные сигналы. Видно, что передающая маленькая антенна

и приемная апертурная антенна (для более высоких частот) не искажают входной сигнал,

и поэтому не анализируются. Кроме прямоугольных импульсов с различным нарастанием и спадом

раз, были проанализированы следующие импульсы специальной формы(3)

Следующие импульсные ленты были выбраны для A (T) функции

импульс 1

 





00

001, 0

, 1







TFO

TFORTA

Pulse 2

 





00

00

0

2

2,20

2,2

2

2

1





TFO

TFO

T

TA

T

Pulse 3

 





00

00

0

2

3

2,20

2,2

4

cos



900 02 

tfor

tfor

t

ta

Учитывая различные приемо-передающие характеристики антенн и различные входные

сигналы, были рассчитаны и сравнены различные комбинации.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.