Применение электромагнитныхволн

Простейшим излучателем электро- магнитных волн является электриче- ский диполь, электрический момент ко- торого изменяется во гар- моническому закону

где — амплитуда вектора

Примером подобного диполя может служить система, образованная не- подвижным точечным зарядом +Q колеблющимся около него вдоль на- правления р с частотой точечного за- ряда - Q.

Задача об излучении диполя имеет в теории излучающих систем важное значение, так как всякую реальную из- лучающую систему (например, антен- ну) можно рассчитывать, рассматривая излучение диполя. Кроме того, многие вопросы взаимодействия излучения с веществом можно объяснять на основе классической теории, рассматривая атомы как системы зарядов, в которых электроны совершают гармонические колебания около их положений равно- весия.

Характер электромагнитного поля диполя зависит от выбора рассматрива- емой точки. Особый интерес подставля- ет так называемая волновая зона дипо- ля — точки пространства, отстоящие от диполя на расстояниях значительно превышающих длину волны X), — так как в ней картина электромагнит- ного поля диполя сильно упрощается. Это связано с тем, что в волновой зоне диполя практически остаются только

«отпочковавшиеся» от диполя свобод- но распространяющиеся поля, в то вре- мя как поля, колеблющиеся вместе с диполем и имеющие более сложную

структуру, сосредоточены в области расстояний г X.

Если волна распространяется в од- нородной изотропной среде, то время прохождения волны до точек, удален- ных от диполя на расстояние одина- ково. Поэтому во всех точках сферы, центр которой совпадает с диполем, фаза колебаний одинакова, т.е. в вол- новой зоне волновой фронт будет сфе- рическим и, следовательно, волна, из- лучаемая диполем, есть сферическая волна.

В каждой точке векторы Е Н ко- леблются по закону cos — амп- литуды этих векторов пропорциональ- ны - 8 (для вакуума), т. е. зависят от

расстояния до излучателя и угла между направлением радиуса-вектора и осью диполя. Отсюда следует, что ин- тенсивность излучения диполя в вол- новой зоне

(164.1)

Зависимость /от при задан- ном значении приводимая в поляр- ных координатах (рис. 230), называет- ся диаграммой направленного излу- чениядиполя. Как видноизвыражения (164.1) и приведенной диаграммы, ди- поль сильнее всего излучает в направ- лениях, перпендикулярных его оси

( ). Вдоль своей оси (9 0 и 9 =

диполь не излучает вообще. Диаграм- ма направленности излучения диполя

Рис.

позволяет формировать излучение с оп- ределенными характеристиками и ис- пользуется при конструировании ан- тенн.

Впервые электромагнитные волны были использованы через семь лет пос- ле опытов Герца. 7 мая 1895 г. препода- ватель физики офицерских минных классов А. С. Попов — 1906) на за- седании Русского физико-химического общества продемонстрировал первый в мире радиоприемник, открывший воз- можность практического использова- ния электромагнитных волн для бес- проволочной связи, преобразившей жизнь человечества. Первая передан- ная в мире радиограмма содержала лишь два слова: «Генрих Герц». Изоб- ретение радио Поповым сыграло огром- ную роль для распространения и разви- тия теории Максвелла.

Электромагнитные волны сантимет- рового и миллиметрового диапазонов, встречая на своем пути преграды, отра- жаются от них. Это явление лежит в основе радиолокации — обнаружения предметов (например, самолетов, ко- раблей и т.д.) на больших расстояниях и точного определения их положения. Помимо этого, методы радиолокации используются для наблюдения прохож- дения и образования облаков, движе- ния метеоритов в верхних слоях атмо- сферы и т. д.

Для электромагнитных волн харак- терно явление дифракции — огибания волнами различных препятствий. Имен- но благодаря дифракции радиоволн возможна устойчивая радиосвязь меж- ду удаленными пунктами, разделенны- ми между собой выпуклостью Земли.

Длинные волны (сотни и тысячи метров) применяются в фототелегра- фии, короткие волны (несколько мет- ров и менее) применяются в телевиде- нии для передачи изображений на не-

большие расстояния (немногим боль- для исследования радиоизлучения ше пределов прямой видимости). небесных тел и т.д. Полное описание Электромагнитные волны использу- применения электромагнитных волн ются также в радиогеодезии для очень дать практически невозможно, так как точного определения расстояний с по- нет областей науки и техники, где бы

мощью радиосигналов, в радиоастроно- они не использовались.

Контрольные вопросы

• Что такое электромагнитная волна? Какова скорость ее распространения?

• Что может служить источником электромагнитных

• Каковы физические процессы, приводящие к возможности существования электромаг- нитных

• Почему Герц в своих опытах использовал открытый контур?

• Как можно представить себе шкалу электромагнитных воли, и каковы источники излу- чения разных видов волн?

• Какие характеристики поля изменяются в бегущей электромагнитной волне?

нимания распространения электромагнитной волны?

• Запишите волновое уравнение для векторов Е Н переменного электромагнитного ноля. Проанализируйте его решения и объясните физический смысл.

• Как определяется фазовая скорость

• Как определить объемную плотность энергии в электромагнитной волне?

• В чем заключается физический смысл вектора Чему он равен?

• Почему важна задача об излучении диполя?

• В чем заключается физический смысл диаграммы направленности излучения диполя?

ЗАДАЧИ

20.1. Электромагнитная волна с частотой 4 МГц переходит из немагнитной среды с ди- электрической проницаемостью = 3 в вакуум. Определите приращение длины волны. [31,7м]

20.2. Два параллельных провода, одни концы которых а другие индуктив- но соединены с генератором электромагнитных колебаний, погружены в спирт. При соот- ветствующем подборе частоты колебаний в системе возникают стоячие волны. Расстояние между двумя узлами стоячих волн на проводах равно 0,5 м. Принимая диэлектрическую проницаемость спирта = 2G, а его магнитную проницаемость 1, определите частоту колебаний генератора. МГц]

20.3. В вакууме вдоль оси распространяется плоская электромагнитная волна. Ампли- туда напряженности электрического поля составляет 18,8 В/м. Определите интен- сивность волны, т. е. среднюю энергию, приходящуюся за единицу времени па единицу пло- щади, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны. [0,47 Вт/м2]

ЧАСТЬ 5