Излучение электромагнитных волн антенной. Опыты Г. Герца. Работы П. Н. Лебедева. Изобретение радио А. С. Поповым

Братск 2008

Часть 1

Конспект лекционно-практических занятий

Лузгин В.В.

по дисциплине «Электромагнитные поля и волны»

Всякая цепь переменного тока, строго говоря, излучает элек­тромагнитные волны. Это принципиальное положение следует из решения системы уравнений электромагнитного поля, которое может быть получено для контуров той или иной формы. В следую­щих параграфах будет приведено решение для электрического диполя с переменными зарядами. Здесь остановимся лишь на неко­торых общих соображениях, связанных с вопросом об излучении электромагнитных волн.

Предположим, что ток в некотором контуре увеличивается от нуля до конечного значения и затем вновь уменьшается до нуля. Если увеличивать ток в контуре бесконечно медленно, то потокосцепление самоиндукции W при токе i принимает то значение, кото­рое оно имеет при том же значении установившегося и весьма длительно существующего постоянного тока. Энергия, израсходо­ванная внешним источником э. д. с. при увеличении тока и равная , преобразуется при этом в энергию магнит­ного поля. При бесконечно медленном уменьшении тока в контуре вся энергия, запасенная в магнитном поле, возвращается обратно источнику э. д. с. Однако полный возврат энергии поля источнику э. д. с. имеет место только при бесконечно медленном изменении тока. При конечной же скорости установления и уменьшения тока часть энергии уносится излученной электромагнитной волной.

Самый факт излучения связан с тем, что скорость v распростра­нения электромагнитного поля имеет конечное значение. Пусть в момент времени t = 0 ток в контуре начинает увеличиваться. До момента t = 0 ток в контуре отсутствовал. К моменту времени t1, когда ток в контуре достигает максимального значения, электро­магнитное поле успевает распространиться только на конечное расстояние от контура, равное vt_x. Если вслед за тем ток в контуре уменьшается, то энергия поля частично возвращается источнику. Однако граница электромагнитного поля продолжает распростра­няться в прежнем направлении с той же скоростью v, и к моменту времени f_n когда ток в контуре вновь станет равен нулю, поле распространится на расстояние от контура, равное vt₂. Поэтому энергия поля не возвращается полностью источнику э. д. с. Часть энергии оказывается связанной с электромагнитной волной, сво­бодно распространяющейся в пространстве.

Из сказанного ясно, что количество энергии излученной волны за некоторый промежуток времени зависит от скорости изменения тока в контуре. При постоянном токе и постоянных зарядах излу­чение не имеет места. Всякий контур, в котором протекает пере­менный ток, принципиально говоря, излучает электромагнитные волны. Однако при промышленной частоте f = 50 Гц в системах, с которыми мы имеем дело в технических устройствах, количество энергии излученной

рис.11-6 рис.11-7 рис.11-8

волны практически ничтожно, и при рас­четах мы эту энергию не принимаем во внимание. Излучение незна­чительно и в диапазоне звуковых частот. Поэтому в радиотехнике используются высокие частоты - приблизительно от f == 10⁵ Гц и выше.

Способность контура к излучению сильно зависит от его геомет­рической конфигурации. Для увеличения этой способности необ­ходимо создать такие условия, чтобы магнитное и электрическое поля, связанные с переменным током и переменным напряжением в контуре, были распределены в одной и той же области простран­ства, окружающего контур. Так, например, контур, изображенный на рис. 11-6, содержащий катушку самоиндукции с плотно нави­тыми витками обмотки и конденсатор с небольшим расстоянием между пластинами, обладает весьма слабой способностью к излу­чению, так как основное магнитное поле и основное электрическое поле сосредоточены в разных областях пространства. Излучение незначительно также и у контура, изображенного на рис. 11-7. Магнитное поле распределено вдоль такого контура, но основное электрическое поле остается сосредоточенным в небольшом про­странстве между обкладками конденсатора. Но если раздвинуть обкладки на возможно большее расстояние друг от друга, выпрямив соединяющий их провод так, как показано на рис. 11-8, то элек­трическое и магнитное поля оказываются распределенными в одной и той же области пространства. Такая система обладает высокой способностью к излучению.

Первые замечательные опыты, экспериментально подтвердив­шие теорию Максвелла, были поставлены Герцем. Основной коле­бательный контур, так называемый вибратор, которым пользовался Герц, по существу, был подобен контуру, изображенному на рис. 11-8. Обкладки конденсатора, выполненные либо в виде пла­стин, либо в виде шаров, могли передвигаться вдоль стержней l₁ и l₂ (рис. 11-9), чем достигалось изменение емкости системы. Чтобы иметь возможность зарядить кон­денсатор, в проводе, соединяющем его обкладки, был образован меж­ду двумя маленькими шариками искровой промежуток К. Обклад­ки конденсатора Герц присоеди­нял ко вторичным зажимам ин­дукционной катушки R. Каждое прерывание тока в первичной обмотке катушки вызывало импульс э. д. с. во вторичной обмотке. Конденсатор заряжался до напря­жения, при котором проскакивала искра между шариками. Заря­женный конденсатор оказывался короткозамкнутым через искру, и в системе вибратора возникали колебания весьма высокой ча­стоты. Частота колебаний зависела от емкости и индуктивности вибратора. Эти колебания весьма быстро затухали, так как их энергия расходовалась на излучение и на выделение теплоты в контуре.

Для обнаружения электромагнитных волн, излученных вибра­тором, Герц применял так называемый резонатор, состоявший из колебательного контура, снабженного искровым промежутком. При настройке резонатора в резонанс с частотой электромагнитных колебаний в вибраторе, в контуре резонатора возникали достаточно сильные колебания, вызывавшие проскакивание искры в его искро­вом промежутке. По длине этой искры можно было судить об интен­сивности электромагнитного поля в месте расположения резона­тора. Герцу удалось обнаружить электромагнитное излучение на расстоянии 12 м от вибратора, имевшего геометрические раз­меры порядка 1 м.

Опыты Герца показали, что электромагнитные волны распро­страняются в соответствии с законами, которые вытекают из тео­рии Максвелла. Эти опыты подтвердили также гипотезу Максвелла об электромагнитной природе света. Направляя излучение вибратора на большую металлическую пластину нормально к ее поверх­ности, Герц наблюдал стоячие волны, образующиеся в результате наложения на прямую волну волны, отраженной от пластины. Обнаруживая резонатором узлы и пучности колебаний в стоячей волне, он получал возможность измерять длину волны и, зная частоту электромагнитных колебаний в вибраторе, мог вычислить скорость распространения электромагнитных волн. Эта скорость оказалась равной скорости света.

Герц обнаружил, что электромагнитные волны, излучаемые вибратором, отражаются от металлических зеркал по тем же зако­нам, по которым происходит отражение от зеркала и светового луча, и наблюдал также преломление электромагнитной волны при про­хождении ее сквозь большую призму, сделанную из асфальта.

Блестящие опыты по исследованию распространения и прело­мления в различных средах электромагнитных волн и по экспери­ментальному доказательству электромагнитной природы света были произведены выдающимся физиком-экспериментатором П. Н. Лебе­девым. П. Н. Лебедев впервые осуществил в созданной им лабора­тории вибратор весьма малых размеров, который излучал весьма короткие волны, имеющие длину волны меньше 1 см. Он осущест­вил также резонатор с термопреобразователем, позволяющий принимать столь короткие волны. Терц, оперировавший волнами, имевшими длину порядка метра, вынужден был создавать призмы и зеркала больших размеров. П. Н. Лебедев в своей установке получил возможность пользоваться преломляющими и отражаю­щими волны устройствами весьма малых размеров. Это не только сделало всю экспериментальную установку негромоздкой, но и открыло новые возможности для исследования, а именно оказалось возможным исследовать прохождение электромагнитных волн через кристаллические тела. Результаты этого замечательного экспери­ментального исследования П. Н. Лебедев опубликовал в 1895 г. в работе под названием «О двойном преломлении лучей электриче­ской силы».

Мировую славу принесли П. Н. Лебедеву его блестящие опыты, в которых он впервые экспериментально доказал давление света. В первых опытах, успешно завершенных в 1900 г., П. Н. Лебедев обнаружил и измерил давление света на твердые тела. В последую­щих, еще более трудных опытах, завершившихся к 1910 г., П. Н. Ле­бедев экспериментально доказал существование светового давления на газы. Результаты экспериментальных работ П. Н. Лебедева оказались в согласии с выводами максвелловой теории электро­магнитного поля.

Имеющее мировое значение изобретение первого радиотелеграфа было сделано выдающимся русским физиком и электротехником А. С. Поповым. А. С. Попову принадлежит заслуга создания первого радиотелеграфа и применения радиосвязи для практических целей. А. С. Попов создал первый приемник радиотелеграфных сигналов. В- этом приемнике он использовал для регистрации проходящих электромагнитных волн так называемый когерер, представляющий собой стеклянную трубку с металлическим порошком. Такая трубка имеет весьма большое электрическое сопротивление, но при прохо­ждении в месте ее расположения электромагнитных волн сопротив­ление трубки резко падает. Включив такую трубку в цепь источника э. д. с, можно по резкому увеличению тока судить о появлении электромагнитных волн. Однако после прекращения действия элек­тромагнитных волн сопротивление трубки вновь не восстанавлива­ется, и для его восстановления требуется встряхнуть трубку. А. С. Попов ввел в свой приемник устройство для автоматического встряхивания трубки, действующее под влиянием тока, возникаю­щего в цепи трубки в результате прохождения электромагнитной волны. Таким образом, трубка автоматически приводилась в состоя­ние готовности зарегистрировать новый сигнал. Это изобретение сразу же дало возможность регистрировать сигналы азбуки Морзе. Для увеличения чувствительности приема А. С. Попов первый предложил использовать антенну - вертикальный провод, одним концом присоединенный к приемному устройству. Первоначально А. С. Попов применял свое приемное устройство для регистрации приближающихся грозовых разрядов, в связи с чем и назвал изо­бретенное им устройство грозоотметчиком. Затем он применил это устройство для осуществления радиосвязи в военно-морском деле. Официальной датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г., когда А. С. Попов выступил с публичным докладом на засе­дании физического отделения Русского физико-химического об­щества на тему «Об отношении металлических порошков к электро­магнитным колебаниям». Во время этого доклада А. С. Попов демонстрировал действие своего приемного устройства.

Современные антенны передающих и приемных радиостанций осуществляются по тому же принципу, который был положен в ос­нову конструкции первой антенны А. С. Попова. При конструиро­вании антенны ставится задача создания развернутого колебатель­ного контура. Антенны, расположенные над поверхностью земли, обычно состоят из вертикальных проводов, соединенных с более или менее развитой горизонтальной сетью проводов. Для пере­дающей радиостанции нижний конец антенны присоединяют к од­ному из зажимов катушки генератора электромагнитных колеба­ний высокой частоты. Другой зажим катушки соединяют с землей через специальную систему заземлителя. Э. д. с. высокой частоты, возбужденная в катушке генератора, создает мощные колебания тока в антенне, контур которой обычно настраивают в резонанс с частотой колебаний в генераторе.

Мощность излучения антенны может быть вычислена следующим путем. Если антенна расположена над поверхностью хорошо проводящей земли, то можно представить себе землю замененной зер­кальным изображением антенны (рис. 11-10).

Окружив антенну и ее зеркальное изображение замкнутой поверхностью s, применим к объему V, ограниченному этой поверхностью, уравнение (**) предыдущего параграфа. Подразумевая под величиной р_е только мощность, равную скорости пере­хода энергии из антенны в окру­жающее ее поле, т. е. исключая из рассмотрения потери энергии в окружающем антенну пространст­ве: у = 0 и р = 0, J_mp = 0, получаем

где S_n — нормальная к поверхности s составляющая вектора Пойнтинга.

Изменение запаса энергии полей (W_a + W„) в объеме V за це­лый период колебаний тока в антенне равно нулю. Поэтому средняя мощность волны, излученной антенной и ее зеркальным изобра­жением, равна

причем S_ncp есть среднее арифметическое за период колебаний значение нормальной составляющей вектора Пойнтинга. Таким образом, для вычисления мощности излучения необходимо опре­делить в каждой точке поверхности s для каждого момента вре­мени вектор Пойнтинга S = [Е Н] и, следовательно, найти вели­чины Е и Н путем решения системы уравнений электромагнитного поля.

Введение в курс: Электромагнитные поля и волны.

Дата добавления: 2014-01-07