Radiația și recepția undelor electromagnetice
Încărcăturile electrice staționare creează într-un spațiu înconjurător un câmp electric constant și un curent electric constant - un câmp magnetic constant. Un câmp electromagnetic propagat în spațiu liber la viteza luminii este excitat de un curent electric variabil în timp. Radiația undelor electromagnetice se efectuează printr-un circuit oscilator deschis conectat la un generator de frecvență de înaltă frecvență.
Deoarece formele circuitului oscilator deschis pot fi diferite, intensitatea câmpului de radiație poate fi, de asemenea, diferită.
Un circuit oscilator închis constă dintr-un inductor și un condensator, câmpul magnetic alternativ produs în el este concentrat în principal în inductor, iar câmpul electric alternativ se află între plăcile de condensatoare. Acest circuit practic nu emit unde electromagnetice (figura 1a).
Trecerea de la circuitul oscilator închis la circuitul deschis este prezentată în Fig. 1. Într-un circuit oscilator deschis, plăcile de condensatoare sunt realizate din fire care nu au numai capacitate, ci și inductanță. Curenții care curg de-a lungul firelor paralele (figura 1b), situate la o distanță l una de cealaltă # 8810; λ. Nu radiați. Acest lucru se explică prin faptul că câmpurile a două valori egale în magnitudine, dar curenții paralele directionate opus sunt compensate reciproc în spațiul exterior. Dacă firele se deplasează sub un anumit unghi, atunci nu va exista o compensație completă pentru câmp.
Cablurile situate pe verticală au rolul principal în radiația undelor electromagnetice (figura 1c). Un dispozitiv conceput pentru a emite unde electromagnetice se numește o antenă de transmisie.
Pentru a obține puterea maximă de radiație, antena trebuie să fie în rezonanță cu frecvența emf a generatorului de oscilații electromagnetice. Lungimea antenei rezonante este comensurabilă cu lungimea undei electromagnetice. Mecanismul de radiație și propagarea undelor electromagnetice este explicat în Fig. 2. Conform teoriei lui Maxwell, cu creșterea unei emisiuni de frecvență înaltă sub acțiunea unei surse. a curentului de conducere în antena din spațiul din jur, există câmpuri electrice și magnetice alternante.
Un câmp electric variabil în funcție de timp este un curent electric de deplasare. Curentul deplasării electrice și curentul de conducție constituie curentul total. Liniile curentului total trebuie întotdeauna închise. Aceasta înseamnă că liniile de curent de conducție din antena trebuie să fie închise de liniile curenților de deplasare prin spațiu (figura 2a). Liniile câmpului magnetic în planuri perpendiculare pe axa firului sunt sub forma unor cercuri concentrice. După un interval scurt de timp δt la un moment dat I, câmpul electric crește cu ΔE, iar câmpul magnetic cu ΔH. Câmpul electric E1 (curent de deplasare electrică) care crește în punctul I va excita în spațiul din jur un câmp magnetic H, direcția liniilor de forță ale căror plane în planul perpendicular pe vectorul E1. trebuie aleasă conform regulii Lenz, conform căreia câmpul E2 trebuie să împiedice modificarea câmpului E1 (| δE1 / δt |> 0). indusă de câmpul magnetic H. Direcția vectorului E2 trebuie să fie opusă direcției vectorului E1. Câmpul E2 slăbește câmpul E1. dar la punctul 2, vectorul E2 este indus. aproximativ egală cu E1. Astfel, perturbarea câmpului electric la punctul I va merge la punctul 2 (figura 2b).
În mod similar, putem urmări schimbarea câmpului magnetic (figura 2b). Drept urmare, frontul undei electromagnetice se deplasează de la punctul I la punctul 2. Viteza frontului undei este egală cu viteza luminii.
În acest caz, energia câmpului electric acumulată la un anumit punct din spațiu este transferată în mod continuu la energia câmpului magnetic al punctelor vecine ale spațiului și din spate. Aceasta este manifestarea relației dintre câmpurile electrice și magnetice în propagarea undelor electromagnetice.
Undele electromagnetice emise de o antenă de transmisie, care întâlnesc conductorii în calea lor, excită în ele emf cu aceeași frecvență ca frecvența câmpului electromagnetic care creează emf indus.
O parte din energia transferată de undele electromagnetice este transmisă de curentul generat în conductori. Conductorii care sunt utilizați pentru a primi energia transmisă de undele electromagnetice sunt numiți antene de recepție.
Teoria arată și experiența confirmă faptul că viteza propagării undelor electromagnetice depinde de proprietățile mediului. Viteza intr-un mediu omogen cu parametrii ε, μ poate fi determinata din formula
unde c = 1 / √ε0 μ0 este viteza de propagare a unui val electromagnetic în vid, viteza luminii în spațiul liber.
Pentru a determina legea variației câmpurilor electrice și magnetice în propagarea undelor electromagnetice în spațiu, presupunem că la punctul inițial unde sursa de undă este localizată (x = 0), câmpurile variază în conformitate cu legile:
La un moment dat, distant de sursa cu o distanta x, valul va veni in timp δt = x / ν. În consecință, în acest moment, în același moment al timpului, câmpurile electrice și magnetice rămân în spatele câmpurilor electrice și magnetice la punctul inițial (x = 0) sub un unghi
δφ = ωt = ω / ν · x
Astfel, legile de variație a forțelor câmpului în punctul luat în considerare au forma:
E = Em · sin (ωt - δφ) = Em · sin (ωt - ω / ν · x);
H = Hm · sin (ωt - δφ) = Em · sin (ωt - ω / ν · x);
Aceste formule descriu valurile de călătorie. Dintre acestea, rezultă că, pe de o parte, un punct fix în spațiu (x = const) câmpuri electrice și magnetice variază în timp conform unei legi sinusoidal, pe de altă parte, în timpul fix (t = const) câmpuri electrice și magnetice sunt schimbate în spațiul în funcție de x, de asemenea, conform legii sinusoidale (Figura 3). Amplitudinile intensităților câmpului electric și magnetic în orice punct al spațiului sunt legate de relație
unde ρ este impedanța de undă a mediului.
În general, depinde de parametrii electromagnetici ai mediului și este diferit în medii diferite. Pentru conducerea media, impedanța este o cantitate complexă.
Wave impedanță a spațiului liber
Modelul spațial al undei electromagnetice la un punct fix în timp t = t1 (Fig. 2), se caracterizează prin aceea că vectorii E și H sunt schimbate în faza în plane reciproc perpendiculare și H0h E0h. În plus, ele se află în planul x = x0. perpendicular pe direcția de propagare a undelor, și au în acest plan aceeași fază. Suprafața pe care faza unui val electromagnetic are aceeași valoare se numește suprafața fazelor egale sau frontul undei.
Fig. 2. Imaginea instantanee a distribuției intensității câmpului electric și magnetic de-a lungul direcției de propagare a undelor plane. În timp, modelul de câmp se deplasează în spațiu cu o viteză de fază de-a lungul axei x.
Distanța pe care frontul valului se mișcă într-un timp egal cu o perioadă de oscilație electromagnetică se numește lungimea de undă
Folosind suprafetele de faze egale, lungimea undei electromagnetice poate fi definita in acelasi mod ca cea mai scurta distanta dintre doua suprafete de faze egale ale caror faze difera de 2π
În funcție de forma suprafeței fazelor egale sau față de val, se disting undele plane, undele cilindrice și sferice.
Valurile, pentru care suprafața fazelor egale are un plan, se numesc valuri plane. Undele în care suprafața fazelor egale este o suprafață cilindrică sau sferică, se numesc valuri cilindrice sau sferice.
În plus, toate aceste tipuri de unde electromagnetice sunt unde electromagnetice transversale, deoarece în ele vectorii H și E oscilează în direcții perpendiculare pe direcția de propagare a undelor.
Transportul energiei electromagnetice în spațiu este caracterizat de un vector al densității fluxului de energie electromagnetică
Nabavlenie vector S coincide cu unda directia pacprostraneniya, iar valoarea sa este numeric egală cu cantitatea de energie care curge pe unitatea de timp prin unitatea de suprafață, dispuse perpendicular pe direcția de propagare.
Conceptul de fluxul de energie de orice fel a fost introdus pentru prima dată în H. Umov 1874 Formula pentru vectorul S-a obținut din ecuațiile câmpului electromagnetic în Poynting 1884 F. Prin urmare, vectorul S este numit vectorul Poynting.
Valoarea medie a densității fluxului de energie în perioada de oscilații electromagnetice este legată de intensitatea câmpului electric prin relație
Puterea de radiație a unei surse este o cantitate numerică egală cu cantitatea medie de energie pe care o sursă de câmp electric extern le pierde pe formarea unui flux de energie electromagnetică per unitate de timp printr-o suprafață închisă care înconjoară sursa. În cazul în care sursa ipotetică a câmpului electromagnetic se află în centrul unei sfere de rază R și emite uniform în toate direcțiile, puterea sa de radiație
Ultima formulă poate fi utilizată pentru a calcula densitatea fluxului de energie radiat de antenă.
Teoria undelor radio
Trimiteți-le prietenilor: