Ближняя и дальняя зоны элементарного электрического излучателя

Найденные выше составляющие электромагнитного поля позволяют построить картину силовых линий во всем пространстве. Соответствующий эскиз, отображающий распределение силовых линий в плоскости большого круга, представлен на рисунке 75. Заметим, что в силу независимости составляющих ноля от угла данная картина останется неизменной в любой плоскости, проходящей через ось излучателя.

Рисунок 75 − Структура силовых линий электромагнитного поля вблизи элементарного излучателя

Процесс образования структуры поля, показанной на рисунке, можно качественно представить по структуре силовых линий электрического поля в непосредственной близости к вибратору, построенной на основании общих электродинамических представлений.

Пусть в момент ток в вибраторе равен нулю, положительный заряд сосредоточен на верхнем конце вибратора, а отрицательный − на нижнем. Силовые линии электрического поля начинаются на верхнем конце вибратора и заканчиваются на нижнем. В интервале абсолютные значения зарядов на концах вибратора уменьшаются, а абсолютное значение тока возрастает. Ток течет от верхнего конца вибратора к нижнему. Начинается «отсоединение» линий поля. В момент абсолютная величина тока максимальна, заряды на концах вибратора равны нулю, «отсоединение» линий поля завершено.

К концу второй четверти периода, в момент , ток снова равен нулю, а заряды на концах вибратора максимальны по абсолютной величине. Положительные заряды сосредоточены на нижнем конце вибратора, отрицательные − на верхнем. Структура силовых линий отличается от момента только тем, что линии имеют противоположные направления.

Крайне важно отметить, что при удалении точки наблюдения от начала координат, т. е. при , в выражениях для составляющих как поля , так и поля существенный вклад дают лишь члены, пропорциональные , в то время как другие слагаемые, пропорциональные и , могут считаться исчезающе малыми. Однако эти же самые слагаемые целиком определяют структуру электромагнитного поля в непосредственной близости от излучателя при .

В соответствии со сказанным, область пространства, характеризующаяся неравенством , называется ближней зоной, а область, в которой − дальней зоной элементарного излучателя. Точной границы между двумя указанными зонами не существует.

С физической точки зрения ближняя зона представляет собой область пространства, в которой преимущественной значение имеют так называемые квазистатические поля. Эти поля, резко убывающие при удалении от источника, продолжают существовать при стремлении к нулю частоты возбуждающего тока. В ближней зоне все три возможные составляющие , , и отличны от нуля.

Дальняя зона иначе называется зоной излучения. Здесь присутствуют лишь поля в виде бегущих электромагнитных волн, уносящих энергию на бесконечность. Легко непосредственно проверить, что в дальней зоне составляющей электрического вектора можно пренебречь по сравнению с .

Ввиду особой важности выпишем окончательные предельные выражения для составляющих электромагнитного поля в дальней зоне:

.

Из этих соотношений могут быть сделаны следующие выводы:

1) электрический и магнитный векторы в дальней зоне колеблются в фазе, что свидетельствует о переносе только активной мощности;

2) вектор Пойнтинга в дальней зоне направлен параллельно единичному вектору , т. е. мощность переносится в радиальном направлении;

3) электромагнитное поле имеет характер сферической волны. В каждой точке пространства выполняется соотношение

.

Иными словами, на достаточном удалении от начала координат сферическая волна, возбуждаемая излучателем, может рассматриваться как локально плоская, что в ряде случаев значительно упрощает теоретический анализ.