Излучение ЭМВ. Шкала ЭМВ

Дипольный излучатель.

В излучающих радиотехнических устройствах, например, антеннах, электроны колеблются относительно ионов вещества - металла, плазмы, электролита. Элементарным осциллятором (т.е. элементарной колебательной системой) является система, состоящая из электрона и равного ему по величине положительного заряда. Излучение всей антенны складывается из излучения таких элементарных осцилляторов.

Таким образом, элементарный осциллятор представляет собой диполь, дипольный момент которого изменяется по гармоническому закону:

.

При этом безразлично, движется ли один только отрицательный заряд или колеблются оба так, что их центр тяжести остается на месте.

Если дипольный момент меняется по гармоническому закону, то и создаваемые им электрическое и магнитное поля будут меняться с той же частотой w.

Гармонически колеблющийся диполь будет излучать монохроматическую волну:

.

Излучение диполя наиболее интенсивно в направлениях, перпендикулярных его оси.

Закон распределения интенсивности:

,

где q - угол между направлением, в котором ищем интенсивность излучения, и направлением ускорения зарядов, т.е. осью диполя. Вдоль направления оси диполя излучения нет. Такой же закон распределения интенсивности относится и к одному ускоренно движущемуся заряду. В направлении своего ускорения заряд не излучает.

Зависимость интенсивности от угла q наглядно изображается с помощью диаграммы направленности диполя (рис. 4). Эта диаграмма строится так, чтобы длина отрезка, отсекаемого его на луче, проведенным из центра диполя, давала интенсивность излучения под углом q.

Расчеты показывают, что средняя мощность излучения диполя пропорциональна квадрату амплитуды электрического момента диполя и четвертой степени частоты:

~.

Поэтому при малой частоте w излучение электрических систем (например, линий передачи переменного тока промышленной частоты) бывает незначительным.

Излучение вибратора.

Любая цепь, в которой течет переменный ток, в том числе обычный колебательный контур, излучает электромагнитные волны. Однако это излучение очень слабое по 2-м причинам:

1) низкая частота, а I~w⁴;

2) в такой цепи для каждого ее участка с одним направлением тока можно подыскать другой близкий (т.е. удаленный менее чем на полволны) участок, в котором направление тока противоположно. В результате эти участки излучают волны в противофазе, т.е. ослабляющие друг друга.

Чтобы сделать излучение интенсивным, нужно создать специальный излучающий контур, называемый открытым колебательным контуром или линейным вибратором.

Если судить по формуле то для увеличения частоты надо уменьшить L и С.

Удаление пластин конденсатора и катушки индуктивности проводит к резкому увеличению частоты. Полученный излучатель, называемый линейным вибратором Герца, представляет собой просто отрезок проводника с разрядным промежутком, если его питать от индукционной катушки (рис. 5).

В таком своеобразном колебательном «контуре» ток уже не может быть во всех сечениях одинаковым - на концах проводника ток проводимости должен обращаться в нуль. В обычном колебательном контуре ток проводимости между пластинами замыкается током смещения. Ток в вибраторе тоже замыкается током смещения, только последний не локализован в каком-либо узком зазоре, а распределен в пространстве вокруг вибратора.

Электроны в проводе вибратора совершают колебания под действием сил электромагнитного поля, которое они сами же и вызывают. Такие колебания называются собственными.

Например, движения электронов по вибратору направо вызовет появление объемного заряда: слева - положительного, справа - отрицательного. Возникнут электрические силы, возвращающие электроны налево.

Если в линейном вибраторе возникают электромагнитные колебания, то они не локализуются в нем, а распространяются в окружающем пространстве. Линейный вибратор является источником электромагнитных волн.

Впервые электромагнитные волны были получены Герцем в 1887 году с помощью вибратора, который питался от индукционной катушки Румкорфа. Чтобы обнаружить распространяющиеся от вибратора электромагнитные волны, Герц на некотором расстоянии от вибратора ставил другой такой же вибратор (резонатор), в искровом промежутке которого проскакивали искорки при распространении электромагнитных волн.

Теория электромагнитных волн позволила объяснить с единой точки зрения множество разнообразных электромагнитных явлений. Пользуясь своей теорией, Максвелл подсчитал скорость, с которой должны распространяться электромагнитные волны. Она оказалась равной скорости света, измеренной чисто оптическими методами. И тогда он выдвинул гипотезу, которая получила впоследствии блестящее подтверждение: световые волны - это лишь разновидность электромагнитных волн с очень высокими частотами.

Исследования, производившиеся в самых разных областях физики, позволили установить, что диапазон частот (или длин) электромагнитных волн, с которыми человек встречается в процессе своей деятельности, чрезвычайно широк.

Будучи расположенными в определенном порядке по мере возрастания частоты (или убывания длины волны), они образуют шкалу электромагнитных волн.

В начале шкалы обычно располагаются радиоволны, затем световые волны, рентгеновские лучи и гамма- лучи. Все эти 4 вида волн отличаются друг от друга как длиной волны, так и способом генерации.

Свойства электромагнитных волн зависят от длины волны.

Способы генерации электромагнитных волн.

1. Радиоволны излучаются при колебаниях электрических зарядов в колебательных контурах.

2. Свет излучается при изменении состояния внешних электронов атомов и изменении энергетических состояний молекул.

3. Рентгеновские лучи получаются при изменении состояния внутренних электронов атомов и при торможении электронов больших энергий.

4. Гамма-лучи возникают при изменении состояния ядер атомов, при торможении быстрых заряженных частиц и других процессах, протекающих в мире элементарных частиц.

Шкала электромагнитных волн представляется в следующем виде.

l(м)

Радиоволны - 3×10⁵-10^-4

Световые волны

инфракрасные лучи - 3×10^-3-7,6×10^-7

видимые лучи - 7,6×10^-7-4×10^-7

ультрафиолетовые - 4×10^-7-2×10^-9

Рентгеновские лучи - 10^-8-10^-12

Гамма-лучи - 10^-11-10^-13

Резкой границы между соседними видами электромагнитных волн не существует, волны одной длины могут быть получены при разных процессах и принадлежать одновременно двум видам электромагнитных волн (ультрафиолетовые и рентгеновские с l=10^-8 м).

Электромагнитное поле излучения было открыто сравнительно недавно, около 100 лет назад. За истекшее столетие это открытие привело к существенным изменениям в жизни общества. Большинство радиотехнических систем основано на непосредственном использовании электромагнитного поля, т.е. радиоволн для передачи информации (связь, вещание, телевидение) или извлечения ее (радиолокация, радиотелеизмерения и т.д.); собственно слово «радио» означает излучение.

Нет такой области человеческой деятельности, где радиотехника не применялась бы или не могла бы быть применена. Прогресс общества без радиотехники, радиоэлектроники просто невозможен. Радиоэлектронику используют в различных научных исследованиях, космических исследованиях, в авиации, на флоте, в медицине, метрологии, геологии, промышленности, сельском хозяйстве. В последнее время проводятся исследования возможности передачи солнечной энергии от космических фотоэлементов на Землю с помощью радиоволн, сконцентрированных в узкие пучки.

В последнее время стало возможным получать высококачественные радиолокационные изображения земной поверхности и объектов, сравнимые по детальности с аэрофотоснимками.

Возможность использования радиосигналов для определения местоположения отражающих объектов (кораблей, самолетов, автомобилей) высказал еще А.С. Попов, которому мир обязан изобретением радиоприемника.

На основе систем радиопеленгации построены «автопилоты», системы «слепой» посадки самолетов в тумане и многие другие устройства.

Дата добавления: 2014-01-07