Электромагнитных волн

Теоретически доказано, что плотность потока электромагнитного излучения I, т.е. количество энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу времени через площадку единичной площади, расположенной перпендикулярно к направлению излучения, определяется формулой

Рис. 20.1

, (20.1)

где q – величина заряда; а – ускорение заряда; с – скорость распространения электромагнитных волн (с » 3×10⁸ м/с); r – расстояние от заряда до точки наблюдения; q – угол между направлением распространения излучения и направлением ускорения движущегося заряда (рис. 20.1).

Заметим, что если заряд совершает гармонические колебания с циклической частотой w, то а ~ w² (см. § 1). Поэтому плотность потока энергии I ~ а² ~ w⁴, т.е. переносимая электромагнитным излучением энергия пропорциональна четвертой степени частоты!

С другой стороны, в знаменателе дроби (20.1) стоит очень большая величина: с³ » (3×10⁸ м/с)³ » 27×10²⁴ (м/с)³. Для того чтобы дробь (20.1) была хоть сколько-нибудь заметной величиной, числитель должен иметь порядок 10²⁴–10²⁵!

Ясно, что при частоте переменного тока n = 50 Гц в городской цепи величина I будет ничтожной, даже если совершать колебания будет заряд в 1 Кл. Мало-мальски приемлемой можно считать частицу в 1 МГц, так как (1 МГц)⁴ = (10⁶ Гц)⁴ = 10²⁴ (Гц)⁴.

Заметим также, что интенсивность излучения максимальна в направлении, перпендикулярном к направлению ускорения заряда (q = 90°, см. рис. 20.1). В направлении ускорения заряда (q = 0) электромагнитная волна не излучается.

Поскольку скорость распространения электромагнитной волны с » 3×10⁸ м/с, то, зная n, можно определить длину электромагнитной волны:

. (20.2)

Например, если n = 50 Гц, то 6000 км, а если n = 1 МГц, то 300 м.

Возникает вопрос: можно ли получить сильное электромагнитное излучение при помощи обычного колебательного контура, у которого собственная частота колебаний n достаточно велика? Оказывается, нет!

Дело в том, что высокая частота электрических колебаний в какой-либо цепи, будучи необходимым условием для получения сильных электромагнитных полей, еще не яв­ляется достаточным условием для хорошего излучения элек­тромагнитных волн этой цепью.

Рис. 20.2

Причина заключается в том, что колебательный контур представляет собой почти замкнутую цепь, размеры которой малы по срав­нению с длиной волны, соответствующей частоте колебаний контура. В такой цепи для каждо­го ее участка с одним направлением тока или знаком заряда можно подыскать другой близкий[1] участок, в котором в тот же момент времени направление тока или знак заряда противоположны. Возь­мем, например, один из витков катушки индуктивности (рис. 20.2). В любых диаметрально противоположных участ­ках а и b витка во всякий момент времени токи направлены противоположно друг другу. Следовательно, на больших расстояниях от витка участки а и b действуют как два близких противофазных излучателя. Волны, излученные этими двумя участками, всюду ослабля­ют друг друга. Так как весь виток состоит из таких пар про­тивофазных излучателей, то и виток в целом излучает плохо, а значит, плохо излучает и вся катушка.

Аналогично обстоит дело и с конденсатором контура: в любой момент времени заряды обкладок равны по модулю и противоположны по знаку, причем эти разноименные заряды удалены друг от друга гораздо меньше, чем на пол­волны.

Из сказанного ясно, какой должна быть электрическая цепь, чтобы она могла хорошо излучать: необходимо перейти к незамкнутой (открытой) цепи, в которой нет участков с противофазными колебаниями.

Рис. 20.3 иллюстрирует переход отпочти замкнутого контура (разрывом является тонкий слой изоляции между обкладками) к незамкнутой системе, называемой электри­ческим вибратором и представляющей собой простейший излучатель электромагнитных волн.

Рис. 20.3

Вибратор и антенны

В открытой цепи – вибрато­ре – заряды располагаются не только на обкладках, а на всем проводе вибратора. Наличие на концах вибратора каких-либо обкладок – пластин, шаров и т. п. – вообще не обязательно. Вибратор может представлять собой про­сто прямолинейный провод. Зарядив вибратор так, чтобы заряды распределялись по его длине неравномерно, мы соз­дадим между отдельными участками вибратора электри­ческое поле, под действием которого начнется движение зарядов, и возникнут электрические колебания.

Рис. 20.4   Рис. 20.5

При электрических колебаниях заряды скапливаются с наибольшей плотностью на концах вибратора, а в средней его точке плотность зарядов всегда равна нулю (рис. 20.4).

Ток тоже не одинаков в различных сечениях вибратора. Когда заряды перетекают из одной половины вибратора в другую, они, конечно, останавливаются у кон­цов вибратора, так что на этих концах ток всег­да равен нулю. В сред­ней части вибратора ток наибольший (рис. 20.5).

Рис. 20.6 поясняет, как протекают колебания тока и за­ряда во времени. На рис. 20.6, а вибратор показан в момент времени, когда разноименные заряды на обеих его полови­нах наибольшие. В этот момент электрическое поле вблизи вибратора наибольшее, а магнитного поля нет, так как нет тока. С этого момента начинается перетекание зарядов от + к –, т. е. возникает ток, который разряжает вибратор (рис. 20.6, б).

Рис. 20.6

Ток все усиливается (вместе с ним на­растает магнитное поле) и через четверть периода достигает максимума. К этому моменту вибратор полностью разряжен и электрического поля вблизи вибратора нет (рис. 20.6, в). Продолжая течь в том же направлении (на рисунке – свер­ху вниз), ток перезаряжает вибратор: положитель­ный заряд накапливается внизу, отрицательный – наверху (рис. 20.6, г). Ток постепенно ослабевает и к концу второй четверти периода снова доходит до нуля. Тока (и магнитного поля) в этот момент опять нет, а заряды (и электрическое поле) достигают наибольшего значения, но с измененным знаком, – вибратор перезарядился (рис. 20.6, д). В следующие полпериода описанный процесс повторяется, но с противоположным направлением тока (рис. 20.6, е–з). В результате к концу периода восстанавливается исходное состояние, показанное на рис. 20.6, а.

Таким образом, колебания заряда и тока в вибраторе происходят так же, как колебания заряда и тока в элект­рическом контуре. Различие состоит лишь в том, что в случае контура электрическое поле (а следовательно, электрическую энергию) можно было считать сосредоточенным в конденсаторе, а магнитное поле (и магнитную энергию) – в катушке, тогда как в случае вибратора электрическое и магнитное поля распределены вокруг всего вибратора.

Мы видим, что в любой момент времени ток в вибраторе хотя и различен по силе в разных точках, но во всех точках течет в одну сторону. Здесь нет участков с про­тивофазными колебаниями тока.

Отсюда ясно, почему любой современный радиопередат­чик обязательно содержит, кроме генератора незатухающих электрических колебаний, еще и ту или иную незамкнутую проволочную цепь – антенну. Антенна и является самим излучателем волн, играя такую же роль, как резо­нансный ящик для камертона или дека музыкального инст­румента для струны. В зависимости от назначения передат­чика различны схемы генераторов, их мощности, длина волны, устройство антенны и т. п., но существо дела не меняется: во всяком передатчике имеется генератор неза­тухающих колебаний, связанный с открытой излучающей цепью – антенной.

Читатель: Мне непонятно только одно: как чисто практически можно создать колебания тока в прямолинейном куске проволоки?

Автор: На этот вопрос в 1888 г. ответил немецкий физик Генрих Герц (1857–1894), впервые сумевший чисто практически получить и зафиксировать электромагнитные волны.

Рис. 20.7

Сначала рассмотрим схему, с помощью которой во времена Герца получили колебания в колебательном контуре (рис. 20.7). Колебательный контур разорван небольшим промежутком (искровой промежуток 1), концы которого присоединены ко вторичной обмотке повышающего трансформатора 2. Ток от трансформатора заряжает конденсатор 3 до тех пор, пока напряжение на искровом проме­жутке не станет равным напряжению пробоя. В этот момент в искровом промежутке происходит искровой разряд, который замыкает контур, так как столбик сильно ионизованного газа в канале искры проводит ток почти так же хорошо, как и металл. В таком замкнутом контуре возникнут электрические колебания. Пока искровой промежуток хорошо проводит ток, вторичная обмотка трансформатора практически замкнута искрой накоротко, так что все напряжение трансформатора падает на его вторичной обмотке, сопротивление которой значительно больше сопротивления искры.

Следовательно, при хорошо проводящем искровом промежутке транс­форматор практически не доставляет энергии контуру. В силу того, что контур обладает сопротивлением, часть колебательной энергии расхо­дуется на джоулево тепло, а также на процессы в искре; колебания за­тухают и через короткое время амплитуды тока и напряжения падают настолько, что искра гаснет. Тогда электрические колебания обрывают­ся. С этого момента трансформатор вновь заряжает конденсатор, пока опять не произойдет пробой, и весь процесс повторится. Таким образом, образование искры и ее погасание играют роль автоматического переключателя, обеспечивающего повторение колебательно процесса.

На рис. 20.8, а кривая показывает, как меняется высокое напряжение на разомкнутой вторичной обмотке трансформатора. В те моменты, когда это напряжение достигает напряжения пробоя (±U_np),в искровом промежутке проскакивает искра, контур замыкается, получается вспышка затухающих колебаний (рис. 20.8, б).

Рис. 20.8

Рис. 20.9

По такому же принципу работает вибратор Герца (рис. 20.9). Вибратор 1 имеет посередине разрыв 2 – искровой промежуток, к концамкоторого подводится напряжение от повышающего трансформатора. Указанная схема вполне аналогична схеме на рис. 20.7, только вместо замкнутого контура с конденсатором и катушкой здесь применена открытая цепь, обеспечивающая хорошее излучение. Возбуждение же ко­лебаний в этой цепи происходит совершенно так же, как в схеме на рис. 20.7. Так что в вибраторе возникают регулярно повторяющиеся вспышки высокочастотных затухающих колебаний (см. рис. 20.8). Период этих колебании и, следовательно, длина излучаемых электромагнитных волн задаются размерами вибратора.

Рис. 20.10

Для обнаружения волн Герц использовал второй вибра­тор с гораздо меньшей длиной искрового промежутка (доли миллиметра вместо 7,5 мм в излучающем вибраторе). Кроме такого приемного вибратора, применялся и приемный виток, согнутый из проволоки в виде пря­моугольника и тоже прерванный очень малым искровым промежутком (рис. 20.10). Под действием электромагнитной волны в этих приемниках возникают вынужденные коле­бания. Если приемники (вибратор или виток) настроены в резонанс на частоту излучателя, то при определенных ус­ловиях, которые мы рассмотрим дальше, в их искровых промежутках проскакивают очень маленькие и слабые искорки. Наблюдая появление или отсутствие таких искорок при различных условиях излучения и распростра­нения волн, а также при различных расположениях приемников, можно было судить о свойствах наблюдаемых волн.

СТОП! Решите самостоятельно: А1, В1–В3.