Излучение и особенности электромагнитных волн

Министерство  образования и науки Республики Казахстан

Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева

Физико-технический  факультет

Кафедра Радиотехники, электроники и телекоммуникаций

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему

«Излучение  и особенности электромагнитных волн»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Кекубаева С.С.

Группа РЭТ – 34

Проверила: Канымгазиева И.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АСТАНА 2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

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

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

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

 

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

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

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

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

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

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

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

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

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

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

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

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

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

 

1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ГИПОТЕЗА МАКСВЕЛЛА

 

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

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

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.Закон электромагнитной индукции в трактовке Максвелла

 

 

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

 

 

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

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

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

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

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

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы

, и взаимно перпендикулярны

 

 

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

 

 

1.1 Скорость распространения  электромагнитных волн

 

Электромагнитные волны  распространяются в веществе с конечной скоростью

                                            

                       (1.1.1)

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

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

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

                        

                            (1.1.2)

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

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

 

1.2 Энергия, переносимая электромагнитной волной

 

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

                      

                                                (1.2.1)

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

                                (1.2.2)

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

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

 

 

1.3 Диполь Герца

 

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

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

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

 

Рисунок 4.Элементарный диполь, совершающий гармонические колебания

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.Излучение элементарного диполя

 

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

 

2 ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ  ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

 

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

 

2.1 Открытый колебательный  контур

 

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

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

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

 

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

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

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

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

 

2.2 Механизм распространения  электромагнитных волн

 

Для получения наибольшей мощности излучения антенна должна быть нacтроенa в резонанс с частотой э.д.с генератора электромагнитных колебаний. Длина резонансной антенны соизмерима с длиной электромагнитной волн. Механизм излучения и распространения электромагнитных волн поясняется на рис. 7. Согласно теории Максвелла, при нарастании под действием источника высокочастотной э.д.с. тока проводимости в антенне в окружающем пространстве возникают переменное электрическое и магнитное поля.

 

Рис. 7 Механизм излучения  и распространения электромагнитных волн

 

Переменное во времени  электрическое поле является током электрического смещения. Ток электрического смещения и ток проводимости составляют полный ток. Линии полного тока всегда должны быть замкнуты. Это означает, что линии тока проводимости в антенне должны быть замкнуты линиями тока смещения через пространство (рис. 7а). Магнитные силовые линии в плоскостях, перпендикулярных оси провода, имеют вид концентрических окружностей. Через небольшой промежуток времени Δt в некоторой точке 1 электрическое поле увеличивается на ΔЕ, а магнитное на ΔН. Нарастающее в точке 1 электрическое поле E₁ (ток электрического смещения) возбудит в окружающем пространстве магнитное поле Н, направление силовых линий которого в плоскости, перпендикулярной вектору Е₁, должно быть выбрано по правилу Ленца, согласно которому изменению поля E₁ (|ΔЕ₁/Δt|>0) должно препятствовать поле Е₂, индуцированное магнитным полем Н. Направление вектора Е₂ должно быть противоположно направлению вектора E₁. Поле Е₂ ослабит поле Е₁, но в точке 2 наводится вектор Е₂, примерно равный E₁. Таким образом, возмущение электрического поля в точке 1 перейдет в точку 2 (рис. 7б).

Аналогично можно проследить за изменением магнитного поля (рис. 7в). В результате фронт электромагнитной волны переместится из точки 1 в точку 2. Скорость перемещения фронта волны равна скорости света.

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

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

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

 

2.3 Пространственная картина электромагнитной волны. Вектор Пойнтинга

 

Пространственная картина  электромагнитной волны в некоторый  фиксированный момент времени t = t₁ характерна тем, что векторы Е и Н изменяются синфазно во взаимно перпендикулярных плоскостях E_0х и H_0х. Кроме того, они лежат в плоскости х = х₀, перпендикулярной направлению распространения волны, и имеют в этой плоскости одну и ту же фазу. Поверхность, на которой фаза электромагнитной волны имеет одно и то же значение, называют поверхностью равных фаз или фронтом волны.

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

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

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

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

S = E · H , Вт/м²                                           (2.3.1)

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

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

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

P_∑ = 4πR²S_ср                                                   (2.3.2)

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

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

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

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

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

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