Электромагнитные волны

Рис. 2.5

Мы знаем, что если в цепи протекает переменный ток, то в окружающем пространстве возникает переменное вихревое магнитное поле, которое в свою очередь порождает вихревое электрическое поле, то есть переменный ток является источником электромагнитных волн (ЭМВ). Рассмотрим процесс образования электромагнитных полей и, следовательно, волн колебательным контуром, в котором тем или иным способом поддерживаются электрические колебания. Если взять плоский конденсатор и соленоид с плотно расположенными витками, то практически поле будет почти полностью сосредоточено между обкладками и внутри соленоида. Излучательная способность ЭМВ у рассматриваемого контура мала. Чтобы излучение волн возросло, следует заменить соленоид линейным проводником и раздвинуть обкладки конденсатора, уменьшая их размеры (рис. 2.5). Преобразованный колебательный контур (рис. 2.5в) представляет собой отрезок проводника (диполь), в котором, если подводить энергию извне, возбуждаются высокочастотные электромагнитные колебания.

Диполь излучает в пространство ЭМВ большой мощности.

В близи диполя поле носит сложный характер, но на расстояниях, больших по сравнению с его размерами, поле имеет сравнительно простой вид.

Рис. 2.6

Примем направление диполя за ось сферической поверхности (рис. 2. 6) и проведем по отношению к этой оси на сфере параллели и меридианы. Тогда напряженность электрического поля в любой точке направлена по касательной к меридиану, напряженность магнитного поля направлено по касательной к параллели. Причем векторы и связаны с направлением распространения волн по правилу правого винта (рис. 2.7б).

Если напряжение, подводимое на диполь, изменяется по закону:

 

U = U₀ cos ωt ,

 

то в рассматриваемой точке Е и Н можно выразить так:

,(2.12)

(2.13)

где ,,Ө - угол, который образует с осью диполя, – скорость распространения ЭМВ в среде.

 

 

	Рис. 2.7

 

 

При Ө = 0 E_m= 0 и H_m= 0. Диполь ЭМВ в направлении оси диполя не излучает. Наибольшая интенсивность излучения диполя при Ө = π/2.

В изотропной непроводящей среде Е и Н изменяются синфазно. При этом они связаны друг с другом соотношением: = .

В направлении распространения ЭМВ можно представить с помощью двух синусоид, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях. Одна из них изображает колебания вектора электрической напряженности , а другая – вектора магнитной напряженности (рис. 2.7а). Оба вектора колеблются в одинаковой фазе.

 

2.6. Энергия электромагнитной волны. Вектор Умова – Пойнтинга

Распространение ЭМВ сопровождается переносом энергии, характеризующей электромагнитное поле. Плотность потока ЭМВ ,где

 

Так как ,то плотности энергий электрического и магнитного полей в каждый момент времени для рассматриваемой точки одинаковы (w_E= w_H), то

 

.

 

Согласно теории Максвелла скорость распространения электромагнитных волн в среде

следовательно, плотность потока ЭМВ

 

(2.14)

 

Лекция 3