Розповсюдження магнітних хвиль. Електромагнітне поле

Електромагнітні хвилі класифікуються по довжині хвилі або пов'язаної з нею частотою хвилі f. Зазначимо також, що ці параметри характеризують як хвильові, а й квантові властивості електромагнітного поля. Відповідно в першому випадку електромагнітна хвиля описується класичними законами, що вивчаються у цьому курсі.

Розглянемо поняття діапазону електромагнітних хвиль. Спектр електромагнітних хвильназивається смуга частот електромагнітних хвиль, що у природі.

Спектр електромагнітного випромінювання у порядку збільшення частоти становлять:

Різні ділянки електромагнітного спектра відрізняються за способом випромінювання та прийому хвиль, що належать тій чи іншій ділянці спектру. З цієї причини між різними ділянками електромагнітного спектру немає різких меж, але кожен діапазон обумовлений своїми особливостями і превалюванням своїх законів, що визначаються співвідношеннями лінійних масштабів.

Радіохвилі вивчає класична електродинаміка. Інфрачервоне світлове та ультрафіолетове випромінювання вивчає як класична оптика, так і квантова фізика. Рентгенівське та гамма-випромінювання вивчається у квантовій та ядерній фізиці.

Розглянемо спектр електромагнітних хвиль докладніше.

Низькочастотні хвилі

Низькочастотні хвилі є електромагнітними хвилями, частота коливань яких не перевищує 100 КГц). Саме цей діапазон частот зазвичай використовується в електротехніці. У промисловій електроенергетиці використовується частота 50 Гц, де здійснюється передача електричної енергії лініями і перетворення напруг трансформаторними пристроями. В авіації та наземному транспорті часто використовується частота 400 Гц, яка дає переваги за вагою електричних машин та трансформаторів у 8 разів у порівнянні з частотою 50 Гц. В імпульсних джерелах живлення останніх поколінь використовуються частоти трансформування змінного струму одиниці та десятки кГц, що робить їх компактними, енергонасиченими.
Корінною відмінністю низькочастотного діапазону від більш високих частот є падіння швидкості електромагнітних хвиль пропорційно до кореня квадратного їх частоти від 300 тис. км/с при 100 кГц до приблизно 7 тис км/с при 50 Гц.

Радіохвилі

Радіохвилі є електромагнітними хвилями, довжини яких перевищують 1 мм (частота менше 3 10 11 гц = 300 Ггц) і менше 3 км (вище 100 кГц).

Радіохвилі поділяються на:

1. Довгі хвилі в інтервалі довжин від 3 км до 300 м (частота в діапазоні 105 гц - 106 гц = 1 МГц);

2. Середні хвилі в інтервалі довжин від 300 м до 100 м (частота в діапазоні 106 гц -3 * 106 гц = 3мгц);

3. Короткі хвилі в інтервалі довжин хвиль від 100м до 10м (частота в діапазоні 310 6 гц-310 7 гц = 30мгц);

4. Ультракороткі хвилі з довжиною хвилі менше 10м (частота більша за 310 7 гц=30Мгц).

Ультракороткі хвилі у свою чергу поділяються на:

А) метрові хвилі;

Б) сантиметрові хвилі;

В) міліметрові хвилі;

Хвилі з довжиною хвилі менше, ніж 1 м (частота менше ніж 300мгц) називаються мікрохвилями або хвилями надвисоких частот (НВЧ - хвилі).

Через великі значення довжин хвиль радіодіапазону проти розмірами атомів поширення радіохвиль можна розглядати без урахування атомістичного будови середовища, тобто. феноменологічно, як заведено при побудові теорії Максвелла. Квантові властивості радіохвиль виявляються лише найкоротших хвиль, прилеглих до інфрачервоному ділянці спектра і за поширенні т.зв. надкоротких імпульсів з тривалістю порядку 10 -12 сек- 10 -15 сек, порівнянної з часом коливань електронів усередині атомів та молекул.
Корінною відмінністю радіохвиль від більш високих частот є інше термодинамічний співвідношення між довжиною хвилі носія хвиль (ефіру), що дорівнює 1 мм (2,7 ° К), і електромагнітної хвилі, що поширюється в цьому середовищі.

Біологічна дія радіохвильового випромінювання

Страшний жертовний досвід застосування потужного радіохвильового випромінювання в техніці радіолокації показав специфічну дію радіохвиль залежно від довжини хвилі (частоти).

На людський організм руйнівну дію не стільки середня, скільки пікова потужність випромінювання, коли відбуваються незворотні явища в білкових структурах. Наприклад, потужність безперервного випромінювання магнетрона НВЧ-печі (мікрохвильовки), що становить 1 КВатт, впливає лише на їжу в малому замкнутому (екранованому) об'ємі печі, і майже безпечна для людини, що знаходиться поруч. Потужність радіолокаційної станції (РЛС, радара) в 1 КВатт середньої потужності, що випромінюється короткими імпульсами шпаруватістю 1000:1 (відношення періоду повторення до тривалості імпульсу) і, відповідно, імпульсною потужністю в 1 МВатт, дуже небезпечна для здоров'я та життя метрів від випромінювача. В останньому, звичайно, відіграє роль і спрямованість випромінювання РЛС, яка наголошує на руйнівній дії саме імпульсної, а не середньої потужності.

Вплив метрових хвиль

Метрові хвилі великої інтенсивності, що випромінюються імпульсними генераторами метрових радіолокаційних станцій (РЛС), що мають імпульсну потужність більше мегавата (таких, наприклад, як станція далекого виявлення П-16) і порівняні з протяжністю спинного мозку людини і тварин, а також довжиною аксонів, цих структур, викликаючи діенцефальний синдром (НВЧ-хвороба). Остання призводить до швидкого розвитку (протягом кількох місяців до кількох років) повного чи часткового (залежно від отриманої імпульсної дози випромінювання) незворотному паралічу кінцівок людини, і навіть порушення іннервації кишечника та інших внутрішніх органів.

Вплив дециметрових хвиль

Дециметрові хвилі можна порівняти за довжиною хвилі з кровоносними судинами, що охоплюють такі органи людини і тварин, як легені, печінку та нирки. Це одна з причин, чому вони викликають розвиток "доброякісних" пухлин (кіст) у цих органах. Розвиваючись на поверхні кровоносних судин, ці пухлини призводять до зупинки нормального кровообігу та порушення роботи органів. Якщо вчасно не видалити такі пухлини оперативним шляхом, настає загибель організму. Дециметрові хвилі небезпечних рівнів інтенсивності випромінюють магнетрони таких РЛС як мобільна РЛС ППО П-15, а також РЛС деяких повітряних суден.

Вплив сантиметрових хвиль

Потужні сантиметрові хвилі викликають таке захворювання, як лейкемію – "білокровість", а також інші форми злоякісних пухлин людини та тварин. Хвилі достатньої виникнення цих захворювань інтенсивності генерують РЛС сантиметрового діапазону П-35, П-37 і майже всі РЛС повітряних суден.

Інфрачервоне, світлове та ультрафіолетове випромінювання

Інфрачервоне, світлове, ультрафіолетовевипромінювання складають оптичну область спектра електромагнітних хвильу сенсі цього терміну. Цей спектр займає діапазон довжин електромагнітних хвиль в інтервалі від 2 · 10 -6 м = 2 мкм до 10 -8 м = 10 нм (по частоті від 1,5 · 10 14 гц до 3 · 10 16 гц). Верхня межа оптичного діапазону визначається довгохвильовою межею інфрачервоного діапазону, а нижня короткохвильовою межею ультрафіолету (рис.2.14).

Близькість ділянок спектра перерахованих хвиль зумовило подібність методів і приладів, що застосовуються для їх дослідження та практичного застосування. Історично для цих цілей застосовували лінзи, дифракційні грати, призми, діафрагми, оптично активні речовини, що входять до складу різних оптичних приладів (інтерферометрів, поляризаторів, модуляторів та ін.).

З іншого боку випромінювання оптичної області спектра має загальні закономірності проходження різних середовищ, які можна одержати з допомогою геометричної оптики, широко використовуваної для розрахунків і побудови, як оптичних приладів, і каналів поширення оптичних сигналів. Інфрачервоне випромінювання є видимим для багатьох членистоногих (комах, павуків тощо) та рептилій (змій, ящірок тощо) , доступним для напівпровідникових датчиків (інфрачервоних фотоматриць), але його не пропускає товща атмосфери Землі, що не дозволяє спостерігати з поверхні Землі інфрачервоні зірки - "коричневі карлики", які становлять понад 90% усіх зірок у Галактиці.

Ширина оптичного діапазону частотою становить приблизно 18 октав, з яких на оптичний діапазон припадає приблизно одна октава (); на ультрафіолет - 5 октав ( ), на інфрачервоне випромінювання - 11 октав (

В оптичній частині спектру стають суттєвими явища, зумовлені атомістичним будовою речовини. З цієї причини поряд із хвильовими властивостями оптичного випромінювання виявляються квантові властивості.

Світло

Рентгенівське та гама випромінювання

В області рентгенівського та гамма випромінювання на перший план виступають квантові властивості випромінювання.

Рентгенівське випромінюваннявиникає при гальмуванні швидких заряджених частинок (електронів, протонів та ін), а також в результаті процесів, що відбуваються всередині електронних оболонок атомів.

Гамма випромінювання є наслідком явищ, що відбуваються всередині атомних ядер, а також внаслідок ядерних реакцій. Кордон між рентгенівським і гама випромінюванням визначається умовно за величиною кванта енергії , що відповідає даній частоті випромінювання.

Рентгенівське випромінювання складають електромагнітні хвилі з довжиною від 50 нм до 10 -3 нм, що відповідає енергії квантів від 20 до 1 Мев.

Гамма випромінювання складають електромагнітні хвилі з довжиною хвилі менше 10 -2 нм, що відповідає енергії квантів більше 0.1 Мев.

Електромагнітна природа світла

Світло є видимою ділянкою спектра електромагнітних хвиль, довжини хвиль яких займають інтервал від 0.4мкм до 0.76мкм. Кожна спектральна складова оптичного випромінювання може бути поставлена ​​у відповідність певний колір. Забарвлення спектральних складових оптичного випромінювання визначається їх довжиною хвилі. Колір випромінювання змінюється зі зменшенням його довжини хвилі так: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

Червоне світло, яке відповідає найбільшій довжині хвилі, визначає червону межу спектру. Фіолетове світло - відповідає фіолетовому кордону.

Природне (денне, сонячне) світло не забарвлене і представляє суперпозицію електромагнітних хвиль з усього видимого людиною спектру. Природне світло з'являється внаслідок випромінювання електромагнітних хвиль збудженими атомами. Характер збудження може бути різним: тепловий, хімічний, електромагнітний та ін. В результаті збудження атоми хаотично випромінюють електромагнітні хвилі приблизно на протязі 10 -8 сек. Оскільки енергетичний спектр збудження атомів досить широкий, випромінюються електромагнітні хвилі з усього видимого спектра, початкова фаза, напрям і поляризація яких має випадковий характер. З цієї причини природне світло не поляризоване. Це означає, що "щільність" спектральних складових електромагнітних хвиль природного світла, що мають взаємно перпендикулярні поляризації однаково.

Гармонічні електромагнітні хвилі світлового діапазону називаються монохроматичними. Для світлової монохроматичної хвилі однією з основних показників є інтенсивність. Інтенсивність світлової хвиліявляє собою середнє значення величини щільності потоку енергії (1.25), що переноситься хвилею:

Де - вектор Пойнтінг.

Розрахунок інтенсивності світлової, плоскої, монохроматичної хвилі з амплітудою електричного поля в однорідному середовищі з діелектричною та магнітною проникністю за формулою (1.35) з урахуванням (1.30) та (1.32) дає:

Традиційно оптичні явища розглядаються з допомогою променів. Опис оптичних явищ за допомогою променів називається геометрооптичним. Правила знаходження траєкторій променів, розроблені в геометричній оптиці, широко використовуються на практиці для аналізу оптичних явищ та при побудові різних оптичних приладів.

Дамо визначення променя, виходячи з електромагнітного уявлення світлових хвиль. Насамперед, промені - це лінії, вздовж яких поширюються електромагнітні хвилі. З цієї причини промінь - це лінія, у кожній точці якої усереднений вектор Пойнтінга електромагнітної хвилі спрямований по цій лінії.

У однорідних ізотропних середовищах напрям середнього вектора Пойнтинга збігається з нормаллю до хвильової поверхні (еквіфазної поверхні), тобто. вздовж хвильового вектора.

Таким чином, в однорідних ізотропних середовищах промені перпендикулярні до відповідного хвильового фронту електромагнітної хвилі.

Наприклад розглянемо промені, що випускаються точковим монохроматичним джерелом світла. З погляду геометричної оптики з точки джерела виходить безліч променів у радіальному напрямку. З позиції електромагнітної сутності світла з джерела поширюється сферична електромагнітна хвиля. На досить великій відстані джерела кривизною хвильового фронту можна знехтувати, вважаючи локально сферичну хвилю плоскою. Розбиваючи поверхню хвильового фронту велику кількість локально плоских ділянок, можна центр кожного ділянки провести нормаль, вздовж якого поширюється плоска хвиля, тобто. у геометрооптичній інтерпретації промінь. Таким чином, обидва підходи дають однаковий опис прикладу.

Основне завдання геометричної оптики полягає у знаходженні напрямку променя (траєкторії). Рівняння траєкторії перебуває після вирішення варіаційного завдання знаходження мінімуму т.зв. дії на шуканих траєкторіях. Не вдаючись у подробиці суворого формулювання і розв'язання зазначеної задачі, можна вважати, що промені є траєкторією з найменшою сумарною оптичною довжиною. Це твердження є наслідком принципу Ферма.

Варіаційний підхід визначення траєкторії променів можна застосовувати і до неоднорідним середовищах, тобто. таким середовищам, які мають заломлення є функція координат точок середовища. Якщо описати функцією форму поверхні хвильового фронту в неоднорідному середовищі, її можна знайти з рішення рівняння у приватних похідних, відомого як рівняння ейконала, а аналітичної механіці як рівняння Гамільтона - Якобі:

Таким чином, математичну основу геометрооптичного наближення електромагнітної теорії складають різні методи визначення полів електромагнітних хвиль на променях, виходячи з рівняння ейконалу або якимсь іншим способом. Геометрооптичне наближення широко використовується практично у радіоелектроніці до розрахунку т.зв. квазіоптичних систем.

На закінчення зазначимо, що можливість описати світло одночасно і з хвильових позицій шляхом вирішення рівнянь Максвелла і за допомогою променів, напрямок яких визначається з рівнянь Гамільтона - Якобі, що описують рух частинок, є одним із проявів дуалізму світла, що здається, що привело, як відомо, до формулювання логічно суперечливих принципів квантової механіки

Насправді жодного дуалізму у природі електромагнітних хвиль немає. Як показав Макс Планк у 1900 році у своїй класичній роботі "Про нормальний спектр випромінювання", електромагнітні хвилі є окремими квантованими коливаннями частотою. vта енергією E=hv, де h = const, в ефірі . Останній є надтекуче середовище, що має стабільну властивість розривності мірою h- Постійна Планка. При дії на ефір енергією, що перевищує hvпід час випромінювання відбувається утворення квантованого "вихору". Точно таке ж явище спостерігається у всіх надплинних середовищах та утворення в них фононів – квантів звукового випромінювання.

За "copy-and-paste" поєднання відкриття Макса Планка 1900 року з відкритим ще 1887 року Генріхом Герцем фотоефектом, 1921 року Нобелівський комітет присудив премію Альберту Ейнштейну

1) Октавой за визначенням називається діапазон частот між довільною частотою w та її другий гармонікою, що дорівнює 2w.

2. У релятивізм "світло" є міфічне явище саме по собі, а не фізична хвиля, що є хвилюванням певного фізичного середовища. Релятивістське "світло" - це хвилювання нічого в нічому. У нього немає середовища-носія коливань.

3. У релятивізм можливі маніпуляції з часом (уповільнення), тому там порушуються основоположні для будь-якої науки принцип причинності та принцип суворої логічності. У релятивізм при швидкості світла час зупиняється (тому в ньому абсурдно говорити про частоту фотона). У релятивізмі можливі такі насильства над розумом, як твердження про взаємне перевищення віку близнюків, що рухаються із субсвітловою швидкістю, та інші знущання з логіки, властиві будь-якій релігії.

Електромагнітні хвилі, якщо вірити фізиці, є одними з найзагадковіших. Вони енергія фактично зникає в нікуди, з'являється незрозуміло звідки. Більше жодного такого об'єкта немає у всій науці. Як же відбуваються всі ці чудові взаємоперетворення?

Електродинаміка Максвелла

А почалося все з того, що вчений Максвелл у далекому 1865, спираючись на роботи Фарадея, вивів рівняння електромагнітного поля. Сам Максвелл вважав, що його рівняння описували кручення та натяг хвиль в ефірі. Через двадцять три роки Герц експериментально створив такі обурення в середовищі, причому вдалося не лише узгодити їх із рівняннями електродинаміки, а й отримати закони, які керують поширенням цих збурень. Виникла цікава тенденція оголошувати будь-які обурення, які мають електромагнітний характер хвилями Герца. Однак ці випромінювання – не єдиний спосіб здійснення передачі енергії.

Бездротовий зв'язок

На сьогоднішній день до можливих варіантів здійснення такого бездротового зв'язку відносять:

Електростатичний зв'язок, який також називається ємнісним;

індукційну;

Токову;

Зв'язок Тесла, тобто зв'язок хвиль електронної щільності по провідних поверхнях;

Найширший спектр найпоширеніших носіїв, які називаються електромагнітні хвилі – від наднизьких частот до гамма-випромінювання.

Варто розглянути ці види зв'язку докладніше.

Електростатичний зв'язок

Два диполя є пов'язаними електричними силами у просторі, що є наслідком закону Кулона. Від електромагнітних хвиль даний тип зв'язку відрізняється можливістю зв'язати диполі при розташуванні на одній лінії. Зі збільшенням відстаней сила зв'язку згасає, і навіть спостерігається сильний вплив різних перешкод.

Індукційний зв'язок

Заснована на магнітних полях розсіювання індуктивності. Спостерігається між об'єктами, які мають індуктивність. Застосування її досить обмежене через близьку дію.

Струмовий зв'язок

Завдяки струмам розтікання у провідному середовищі може виникнути певна взаємодія. Якщо через термінали (пара контактів) пропустити струми, то ці струми можна виявити на значній відстані від контактів. Саме це називається ефектом розтікання струмів.

Зв'язок Тесла

Знаменитий фізик Нікола Тесла винайшов зв'язок за допомогою хвиль на провідній поверхні. Якщо в якомусь місці площині порушити щільність носія заряду, то ці носії почнуть рух, який прагне відновлення рівноваги. Так як носії мають інерційну природу, то відновлення носить хвильовий характер.

Електромагнітний зв'язок

Випромінювання електромагнітних хвиль відрізняється величезним далекодією, оскільки їх амплітуда обернено пропорційна відстані до джерела. Саме цей спосіб бездротового зв'язку набув найбільшого поширення. Але що таке електромагнітні хвилі? Для початку необхідно здійснити невеликий екскурс в історію їхнього відкриття.

Як з'явилися електромагнітні хвилі?

Почалося все у 1829 році, коли американський фізик Генрі виявив обурення електричних розрядів в експериментах із лейденськими банками. У 1832 фізиком Фарадеєм було висунуто припущення про існування такого процесу, як електромагнітні хвилі. Максвелл у 1865 році створив свої знамениті рівняння електромагнетизму. Наприкінці дев'ятнадцятого століття було багато успішних спроб створення бездротового зв'язку за допомогою електростатичної та електромагнітної індукції. Знаменитий винахідник Едісон вигадав систему, яка дозволяла пасажирам залізниці відправляти та отримувати телеграми прямо під час руху поїзда. 1888 року Г. Герц однозначно довів те, що електромагнітні хвилі з'являються за допомогою пристрою, названого вібратором. Герц здійснив досвід передачі електромагнітного сигналу на відстань. В 1890 інженер і фізик Бранлі з Франції винайшов пристрій для реєстрації електромагнітних випромінювань. Згодом цей прилад був названий "радіокондуктором" (когерер). У 1891-1893 роках Нікола Тесла описав основні принципи здійснення передачі сигналів на великі відстані та запатентував щоглу антену, яка була джерелом електромагнітних хвиль. Подальші заслуги у вивченні хвиль та технічної реалізації їх отримання та застосування належать таким знаменитим фізикам та винахідникам, як Попов, Марконі, де Мор, Лодж, Мірхед та багатьом іншим.

Поняття «електромагнітна хвиля»

Електромагнітна хвиля - це явище, яке поширюється у просторі з певною кінцевою швидкістю і являє собою змінне електричне та магнітне поле. Так як магнітні та електричні поля нерозривно пов'язані один з одним, то вони утворюють електромагнітне поле. Також можна сказати, що електромагнітна хвиля - це обурення поля, причому під час свого поширення енергія, яка є у магнітного поля, переходить в енергію електричного поля і назад, згідно електродинаміки Максвелла. Зовні це схоже на поширення будь-якої іншої хвилі в будь-якому іншому середовищі, проте є й суттєві відмінності.

Відмінність електромагнітних хвиль від інших?

Енергія електромагнітних хвиль поширюється у досить незрозумілому середовищі. Щоб порівнювати ці хвилі та будь-які інші, необхідно зрозуміти, про яке середовище поширення йдеться. Передбачається, що внутрішньоатомний простір заповнює електричний ефір - специфічне середовище, яке є абсолютним діелектриком. Усі хвилі під час поширення виявляють перехід кінетичної енергії в потенційну та назад. При цьому у цих енергій зрушені максимум у часі та просторі щодо один одного на одну четверту повного періоду хвилі. Середня енергія хвилі при цьому, будучи сумою потенційної та кінетичної енергії, є постійною величиною. Але з електромагнітними хвилями справа інакша. Енергії та магнітного та електричного поля досягають максимальних значень одночасно.

Як виникає електромагнітна хвиля?

Матерія електромагнітної хвилі – це електричне поле (ефір). Поле, що рухається, є структурованим і складається з енергії його руху та електричної енергії самого поля. Тому потенційна енергія хвилі пов'язана з кінетичною та синфазнаю. Природа електромагнітної хвилі є періодичним електричним полем, яке знаходиться в стані поступального руху в просторі і рухається зі швидкістю світла.

Струми усунення

Є й інший спосіб пояснити, що являють собою електромагнітні хвилі. Передбачається, що в ефірі виникають струми зміщення під час руху неоднорідних електричних полів. Виникають вони, звісно, ​​лише нерухомого стороннього спостерігача. У момент, коли такий параметр, як напруженість електричного поля, досягає свого максимуму, струм зміщення в даній точці простору припиниться. Відповідно, при мінімумі напруженості виходить зворотна картина. Цей підхід проясняє хвильову природу електромагнітного випромінювання, оскільки енергія поля електричного виявляється зсунутою однією четверту періоду стосовно струмів усунення. Тоді можна сказати, що електричне збурення, а точніше енергія збурення, трансформується в енергію струму зміщення і назад і поширюється хвильовим чином діелектричної середовищі.

М. Фарадей ввів поняття поля:

навколо заряду, що лежить, виникає електростатичне поле,

навколо зарядів, що рухаються (струму) виникає магнітне поле.

У 1830 р. М. Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції: за зміни магнітного поля виникає вихрове електричне поле.

Малюнок 2.7 - Вихрове електричне поле

де,
- Вектор напруженості електричного поля,
- Вектор магнітної індукції.

Змінне магнітне поле створює вихрове електричне поле.

У 1862 р. Д.К. Максвел висунув гіпотезу: при зміні електричного поля виникає вихрове магнітне поле.

Виникла ідея про єдине електромагнітне поле.

Малюнок 2.8 – Єдине електромагнітне поле.

Змінне електричне поле створює вихрове магнітне поле.

Електромагнітне поле- це особлива форма матерії - сукупність електричних та магнітних полів. Змінні електричні та магнітні поля існують одночасно і утворюють єдине електромагнітне поле. Воно матеріально:

Виявляє себе в дії як на заряди, що покояться, так і на рухомі;

Поширюється із великою, але кінцевою швидкістю;

Існує незалежно від нашої волі та бажань.

При швидкості заряду, що дорівнює нулю, існує лише електричне поле. За постійної швидкості заряду виникає електромагнітне поле.

При прискореному русі заряду відбувається випромінювання електромагнітної хвилі, яка поширюється у просторі з кінцевою швидкістю .

Розробка ідеї електромагнітних хвиль належить Максвеллу, але вже Фарадей здогадувався про їхнє існування, хоча побоявся опублікувати роботу (вона була прочитана понад 100 років після його смерті).

Головна умова виникнення електромагнітної хвилі – прискорений рух електричних зарядів.

Що являє собою електромагнітна хвиля, легко уявити на наступному прикладі. Якщо на водну гладь кинути камінчик, то на поверхні утворюються хвилі, що розходяться колами. Вони рухаються джерела їх виникнення (обурення) з певною швидкістю поширення. Для електромагнітних хвиль збуреннями є електричні і магнітні поля, що пересуваються в просторі. Електромагнітне поле, що змінюється в часі, обов'язково викликає появу змінного магнітного поля, і навпаки. Ці поля взаємно пов'язані.

Основним джерелом спектра електромагнітних хвиль є зірка Сонце. Частина спектра електромагнітних хвиль бачить очі людини. Цей спектр лежить у межах 380...780 нм (рис. 2.1). В області видимого діапазону очей відчуває світло по-різному. Електромагнітні коливання з різною довжиною хвиль викликають відчуття світла з різним забарвленням.

Малюнок 2.9 – Спектр електромагнітних хвиль

Частина спектра електромагнітних хвиль використовується для цілей радіотелевізійного вішання та зв'язку. Джерело електромагнітних хвиль – провід (антена), у якому відбувається коливання електричних зарядів. Процес формування полів, що почався поблизу дроту, поступово точку за точкою захоплює весь простір. Чим вище частота змінного струму, що проходить по дроту і породжує електричне або магнітне поле, тим інтенсивніше створювані радіохвилі заданої довжини.

Радіо(лат. radio - випромінюю, випускаю промені ← radius - промінь) - різновид бездротового зв'язку, при якому як носій сигналу використовуються радіохвилі, що вільно розповсюджуються в просторі.

Радіохвилі(від радіо...), електромагнітні хвилі з довжиною хвилі > 500 мкм (частотою< 6×10 12 Гц).

Радіохвилі - це електричні та магнітні поля, що змінюються у часі. Швидкість поширення радіохвиль у вільному просторі становить 300 000 км/с. Виходячи з цього, можна визначити довжину радіохвилі (м).

λ=300/f,де f – частота (МГц)

Звукові коливання повітря, створені під час телефонної розмови, перетворюються мікрофоном на електричні коливання звукової частоти, які по дротах передаються до апаратури абонента. Там, на іншому кінці лінії, вони за допомогою випромінювача телефону перетворюються на коливання повітря, що сприймаються абонентом як звуки. У телефонії засобом зв'язку ланцюга є дроти, радіомовлення - радіохвилі.

«Серцем» передавача будь-якої радіостанції є генератор - пристрій, що виробляє коливання високої, але постійної для даної радіостанції частоти. Ці коливання радіочастоти, посилені до необхідної потужності, надходять в антену і збуджують в навколишньому просторі електромагнітні коливання такої самої частоти - радіохвилі. Швидкість видалення радіохвиль від антени радіостанції дорівнює швидкості світла: 300 000 км/с, що майже в мільйон разів швидше за поширення звуку в повітрі. Це означає, що якщо на Московській радіомовній станції в деякий момент часу включили передавач, то її радіохвилі менше ніж за 1/30 з дійдуть до Владивостока, а звук за цей час встигне поширитися лише на 10-11 м.

Радіохвилі поширюються не тільки в повітрі, а й там, де його немає, наприклад, у космічному просторі. Цим вони відрізняються від звукових хвиль, для яких абсолютно необхідне повітря або якесь інше щільне середовище, наприклад вода.

Електромагнітна хвиля – електромагнітне поле, що розповсюджується в просторі (коливання векторів
). Поблизу заряду електричне та магнітне поля змінюються зі зсувом фаз p/2.

Малюнок 2.10 – Єдине електромагнітне поле.

На великій відстані від заряду електричне та магнітне поля змінюються синфазно.

Малюнок 2.11 - Синфазна зміна електричного та магнітного полів.

Електромагнітна хвиля поперечна. Напрямок швидкості електромагнітної хвилі збігається із напрямком руху правого гвинта при повороті ручки буравчика вектора до вектору .

Малюнок 2.12 – Електромагнітна хвиля.

Причому в електромагнітній хвилі виконується співвідношення
, де з – швидкість світла у вакуумі

Максвелл теоретично розрахував енергію та швидкість електромагнітних хвиль.

Таким чином, енергія хвилі прямо пропорційна четвертому ступеню частоти. Отже, щоб легше зафіксувати хвилю, необхідно, щоб вона була високою частотою.

Електромагнітні хвилі відкрили Г. Герцем (1887).

Закритий коливальний контур електромагнітних хвиль не випромінює: вся енергія електричного поля конденсатора перетворюється на енергію магнітного поля котушки. Частота коливань визначається параметрами коливального контуру:
.

Малюнок 2.13 - Коливальний контур.

Для збільшення частоти необхідно зменшити L та C, тобто. розгорнути котушку до прямого дроту і т.к.
зменшити площу пластин і розвести їх на максимальну відстань. Звідси видно, що ми отримаємо по суті прямий провідник.

Такий пристрій називається вібратором Герца. Середина розрізається та приєднується до високочастотного трансформатора. Між кінцями проводів, на яких закріплюються маленькі кульові кондуктори, проскакує електрична іскра, яка є джерелом електромагнітної хвилі. Хвиля поширюється отже вектор напруженості електричного поля коливається у площині, у якій розташований провідник.

Малюнок 2.14 – Вібратор Герца.

Якщо паралельно випромінювачу розташувати такий самий провідник (антену), то заряди в ньому прийдуть у коливальний рух і між кондукторами проскакують слабкі іскри.

Герц виявив електромагнітні хвилі на досвіді і виміряв їх швидкість, яка збіглася з розрахованою Максвеллом і дорівнює =3. 10 8 м/с.

Змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле, яке, своєю чергою, породжує змінне електричне поле, тобто антена, що збудило одне з полів, викликає появу єдиного електромагнітного поля. Найважливіша властивість цього поля у цьому, що його поширюється як електромагнітних хвиль.

Швидкість поширення електромагнітних хвиль у середовищі без втрат залежить від щодо діелектричної та магнітної проникності середовища. Для повітря магнітна проникність середовища дорівнює одиниці, отже, швидкість поширення електромагнітних хвиль у разі дорівнює швидкості світла.

Антенною може бути вертикальний провід, що живиться від генератора високої частоти. Генератор витрачає енергію на прискорення руху вільних електронів у провіднику, а ця енергія перетворюється на змінне електромагнітне поле, тобто електромагнітні хвилі. Чим більша частота струму генератора, тим швидше змінюється електромагнітне поле та інтенсивніше лікування хвиль.

З проводом антени пов'язані як електричне поле, силові лінії якого починаються на позитивних і закінчуються на негативних зарядах, і магнітне поле, лінії якого замикаються навколо струму проводу. Чим менший період коливань, тим менше часу залишається для повернення енергії пов'язаних полів у провід (тобто до генератора) і тим більше переходить її у вільні поля, які поширюються далі у вигляді електромагнітних хвиль. Ефективне випромінювання електромагнітних хвиль відбувається за умови сумірності довжини хвилі та довжини випромінюючого дроту.

Таким чином, можна визначити, що радіохвиля- це не пов'язане з випромінювачем і каналоутворюючими пристроями електромагнітне поле, що вільно розповсюджується у просторі у вигляді хвилі з частотою коливань від 10 -3 до 1012 Гц.

Коливання електронів в антені створюються джерелом ЕРС, що періодично змінюється, з періодом Т. Якщо в певний момент поле у ​​антени мало максимальне значення, то таке ж значення воно матиме через час Т. За цей час електромагнітне поле, що існувало в початковий момент біля антени, переміститься на відстань

λ = υТ (1)

Мінімальна відстань між двома точками простору, поле в яких має однакове значення, називається довжина хвилі.Як випливає з (1), довжина хвилі λ залежить від швидкості її поширення та періоду коливань електронів в антені. Так як частотаструму f = 1 / T, то довжина хвилі λ = υ / f .

Радіолінія включає наступні основні частини:

Передавач

Приймач

Середовище, в якому поширюються радіохвилі.

Передавач і приймач є керованими елементами радіолінії, оскільки можна збільшити потужність передавача, підключити ефективнішу антену та збільшити чутливість приймача. Середовище є некерованим елементом радіолінії.

Відмінність лінії радіозв'язку від провідних ліній полягає в тому, що у провідних лініях як сполучна ланка використовуються дроти або кабель, які є керованими елементами (можна змінити їх електричні параметри).

Глава 1

ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

Що являє собою електромагнітна хвиля, легко уявити на наступному прикладі. Якщо на водну гладь кинути камінчик, то на поверхні утворюються хвилі, що розходяться колами. Вони рухаються джерела їх виникнення (обурення) з певною швидкістю поширення. Для електромагнітних хвиль збуреннями є електричні і магнітні поля, що пересуваються в просторі. Електромагнітне поле, що змінюється в часі, обов'язково викликає появу змінного магнітного поля, і навпаки. Ці поля взаємно пов'язані.

Основним джерелом спектра електромагнітних хвиль є зірка Сонце. Частина спектра електромагнітних хвиль бачить очі людини. Цей спектр лежить у межах 380...780 нм (рис. 1.1). В області видимого діапазону очей відчуває світло по-різному. Електромагнітні коливання з різною довжиною хвиль викликають відчуття світла з різним забарвленням.

Частина спектра електромагнітних хвиль використовується для цілей радіотелевізійного вішання та зв'язку. Джерело електромагнітних хвиль – провід (антена), у якому відбувається коливання електричних зарядів. Процес формування полів, що почався поблизу дроту, поступово точку за точкою захоплює весь простір. Чим вище частота змінного струму, що проходить по дроту і породжує електричне або магнітне поле, тим інтенсивніше створювані радіохвилі заданої довжини.

Електромагнітні хвилі мають такі основні характеристики.

1. Довжина хвилі lв - найкоротша відстань між двома точками в просторі, на якому фаза гармонійної електромагнітної хвилі змінюється на 360°. Фаза – це стан (стадія) періодичного процесу (рис. 1.2).

У наземному телевізійному вішанні використовуються метрові (MB) та дециметрові хвилі (ДМВ), у супутниковому – сантиметрові хвилі (СМ). У міру заповнення частотного діапазону СМ освоюватиметься діапазон міліметрових хвиль (Ка-bаnd).

2. Період коливання хвилі Т-час, протягом якого відбувається одна повна зміна напруженості поля, тобто час, за який точка радіохвилі, що має якусь фіксовану фазу, проходить шлях, що дорівнює довжині хвилі lв.

3. Частота коливань електромагнітного поля F(кількість коливань поля в секунду) визначається за формулою

Одиницею виміру частоти є герц (Гц) - частота, коли він відбувається одне коливання в секунд. У супутниковому мовленні доводиться мати справу з дуже високими частотами електромагнітних коливань, що вимірюються в гігагерцях.

Для безпосереднього супутникового телевізійного мовлення (СНТВ) по лінії Космос - Земля використовуються діапазон C-band low і частина діапазону Кu (10,7...12,75 ГГі). Верхня частина цих діапазонів застосовується передачі інформації по лінії Земля - ​​Космос (табл. 1.1).

4. Швидкість поширення хвиліЗ - швидкість послідовного поширення хвилі від джерела енергії (антени).

Швидкість поширення радіохвиль у вільному просторі (вакуумі) стала і дорівнює швидкості світла С = 300 000 км/с. Незважаючи на таку високу швидкість, електромагнітна хвиля по лінії Земля – Космос – Земля проноситься за час 0,24 с. На землі радіотелевізійні передачі можна практично миттєво приймати у будь-якій точці. При поширенні в реальному просторі, наприклад -у повітрі, швидкість руху радіохвилі залежить від властивостей середовища, вона зазвичай менша Зна величину коефіцієнта заломлення середовища.

Частота електромагнітних хвиль F, швидкість їх поширення і довжина хвилі л пов'язані співвідношенням

lв=C/F, тому що F=1/T ,то lв = C * T.

Підставляючи значення швидкості С= 300 000 км/с останню формулу, отримуємо

lв(м)=3*10^8/F(м/c*1/Гц)

Для більших значень частот довжину хвилі електромагнітного коливання можна визначити за формулою lв(м)=300/F(МГц) Знаючи довжину хвилі електромагнітного коливання, частоту визначають за формулою F(МГц)=300/lв(м)

5. Поляризація радіохвиль.Електрична та магнітна складові електромагнітного поля відповідно характеризуються векторами Е та Н,які показують значення напруженостей полів та їх напрямок. Поляризацією називається орієнтування вектора електричного поля Ехвилі щодо поверхні землі (рис. 1.2).

Вид поляризації радіохвиль визначається орієнтуванням (положенням) передавальної антени щодо поверхні землі. Як у наземному, і у супутниковому телебаченні застосовується лінійна поляризація, т. е. горизонтальна Нта вертикальна V (рис. 1.3).

Радіохвилі з горизонтальним вектором електричного поля називають горизонтально поляризованими, а вертикальним - вертикально поляризованими. Площина поляризації останніх хвиль вертикальна, а вектор Н(Див. рис. 1.2) знаходиться в горизонтальній площині.

Якщо передавальна антена встановлена ​​горизонтально над поверхнею землі, електричні силові лінії поля також будуть розташовані горизонтально. У цьому випадку поле наведе найбільшу електрорушійну силу (ЕРС) в горі-

Рис. 1.4. Кругова поляризація радіохвиль:

LZ-ліва; RZ-права

зонтально розташованої приймальної антени. Отже, при Нполяризації радіохвиль приймальну антену необхідно орієнтувати горизонтально. При цьому прийом радіохвиль на вертикально розташовану антену теоретично не буде, так як наведена в антені ЕРС дорівнює нулю. І навпаки, при вертикальному положенні антени, що передає, приймальну антену також необхідно розташувати вертикально, що дозволить отримати в ній найбільшу ЕРС.

При телевізійному мовленні зі штучних супутників Землі (ІСЗ) крім лінійних поляризацій широко використовується кругова поляризація. Пов'язано це, як не дивно, з тіснотою в ефірі, тому що на орбітах знаходиться велика кількість супутників зв'язку та ШСЗ безпосереднього (прямого) телевізійного мовлення.

Часто у таблицях параметрів супутників дають скорочене позначення виду кругової поляризації. L та R.Кругову поляризацію радіохвиль створює, наприклад, конічна спіраль на опромінювачі передавальної антени. Залежно від напрямку намотування спіралі кругова поляризація виявляється лівою чи правою (рис. 1.4).

Відповідно в опромінювачі наземної антени супутникового телебачення повинен бути встановлений поляризатор, який реагує на кругову поляризацію радіохвиль, що випромінюються передавальною антеною ШСЗ.

Розглянемо питання модуляції високочастотних коливань та його спектр під час передачі з ШСЗ. Доцільно це зробити порівняно із наземними мовними системами.

Рознесення між несучими частотами сигналів зображення та звукового супроводу становить 6,5 МГц, залишок нижньої бічної смуги (ліворуч від несучого зображення) – 1,25 МГц, а ширина каналу звукового супроводу – 0,5 МГц

(Рис. 1.5). З урахуванням цього сумарна ширина телевізійного каналу прийнята 8,0 МГц (за стандартами D і К, прийнятих у країнах СНД).

Передавальна телевізійна станція має у своєму складі два передавачі. Один із них передає електричні сигнали зображення, а інший – звуковий супровід відповідно на різних несучих частотах. Зміна якогось параметра несучого високочастотного коливання (потужності, частоти, фази та ін.) під впливом коливань низької частоти називається модуляцією. Використовуються два основні види модуляції: амплітудна (AM) та частотна (ЧМ). У телебаченні сигнали зображення передаються з AM, а звуковий супровід з ЧС. Після модуляції електричні коливання посилюються по потужності, потім надходять у антену, що передає, і випромінюються нею в простір (ефір) у вигляді радіохвиль.

8 наземному телевізійному мовленні з низки причин неможливо застосувати ЧС передачі сигналів зображення. На СМ місця в ефірі значно більше, і така можливість існує. В результаті супутниковий канал (транспондер) займає смугу частот 27 МГц.

Переваги частотної модуляції сигналу:

менша в порівнянні з AM чутливість до перешкод та шумів, низька чутливість до нелінійності динамічних характеристик каналів передачі сигналів, а також стабільність передачі на далекі відстані. Дані характеристики пояснюються сталістю рівня сигналу в каналах передачі, можливістю проведення частотної корекції попередніх викривлень, що сприятливо впливають на відношення сигнал/шум, завдяки чому ЧС можна значно знизити потужність передавача при передачі інформації на ту саму відстань. Наприклад, в наземних мовних системах для передачі сигналів зображення на одній і тій же телевізійній станції використовуються передавачі в 5 разів більшої потужності, ніж передачі сигналів звукового супроводу.