Излучение диполя. Применение электромагнитных волн

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

р = р₀coswt,

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 w.

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>>l),— 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<=l.

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(wt-kr), амплиту­ды этих векторов пропорциональны 1/rsinq

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

I~sin²q/r². (164.1)

Зависимость (164.1) I от q 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 (q=p/2). Вдоль своей оси (q=0 и q=p) диполь не излучает вообще. Диаграмма направленности излу­чения диполя позволяет формировать из­лучение с определенными характеристика 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.