Как «устроена» электромагнитная волна?

Приведенные нами экспериментальные факты говорят о том, что электромагнитные волны реально существуют: их можно испускать и принимать. Но волна – это процесс распространения колебаний. В электромагнитной волне должны колебаться значения напряженности электрического поля и индукция магнитного поля . Попробуем разобраться, что представляет собой эти колебания. И еще интересно узнать, как ориентированы друг относительно друга векторы и : направлены ли они в одну сторону или навстречу друг другу? А может быть они составляют между собой некоторый угол?

На все вопросы отвечают данные экспериментов.

Ответ 1.Оставаясь на каком-то неизменном расстоянии от вертикального излучающего вибратора, повернем приемный вибратор из вертикального в любое горизонтальное положение. Мы увидим, что ток в индикаторе приемника падает при этом до нуля (рис. 20.16).

Рис. 20.16

Объяснить это можно только тем, что электрическое поле приходящей волны имеет вертикальное направление. Действительно, такое поле может перемещать заряды (вызывать ток) вдоль приемного вибра­тора, когда он вертикален, и не может этого делать, когда он горизонтален.

Опыт 2.Повторим такой же опыт, как на рис. 20.16, но возьмем вместо приемного вибратора проволочный виток. При этом получается следующее. Когда виток расположен в вертикальной плоскости, проходящей через излучающий вибратор, ток в нем есть. Но при всяком повороте витка на 90° от указанной плоскости ток в нем исчезает (рис. 20.17).

Рис. 20.17

Мы знаем, что ток в витке (или катушке) наводится пере­менным магнитным полем только в том случае, если это поле пронизывает виток. Следовательно, отсутствие тока при расположениях витка, показанных на рис. 20.17 посередине и справа, объясняется тем, что магнитное поле приходящей волны направлено горизонтально и перпендику­лярно к направлению излучения. Действительно, при этом оно пронизывает виток в первом положении и не пронизывает в двух других.

Мы приходим, таким образом, к выводу, что напряжен­ность и индукция электрического и магнитного полей в волне перпендикулярны друг к другу и к направлению распространения волны (рис. 20.18); при этом направление совпадает с направлением вибратора, а вектор лежит в плоскости, перпендикулярной к вибратору.

Рис. 20.18

Нами исследован здесь случай вертикального вибратора и горизонтального направления распространения волны. Исследование любых других направлений распространения показывает, что для всякого из них остается справедливым аналогичное расположение векторов и (рис. 20.19):1) оба они перпендикулярны к направлению распространения, а зна­чит, и колебания их происходят перпендикулярно к этому направлению, т. е. электромагнитная волна поперечна; 2) вектор лежит в плоскостях, проходящих через излучающий вибратор, а вектор – перпендикулярно к этим плоскостям.

Рис. 20.19

Рис. 20.20

Поперечность колебаний является совершенно общим свойством всякой электромагнитной волны, не зависящим ни от выбора направления распространения, ни от харак­тера излучателя. Таким же общим свойством является и взаимная перпендикулярность полей и в электромагнит­ной волне.

На рис. 20.20 показан «моментальный снимок» электромагнитной волны.

Радиоволны

С помощью электромагнитного излучения осуществляется работа радио и телевидения. Электромагнитные волны, испущенные для радиосвязи называется радиоволнами. Радиоволны делятся на группы, представленные в табл. 20.1.

Таблица 20.1

Длинные и средние волны. Размеры этих волн значительно превосходят размеры возможных препятствий на земной поверхности, поэтому длинные и средние волны благодаря явлению дифракции хорошо огибают эти препятствия (рис. 20.21).

Рис. 20.21

На распространение радиоволн большое влияние оказывает ионосфера Земли – слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на высоте 100–300 км. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем.

Рис. 20.22

Проводя электрический ток, ионосфера отражает все радиоволны с длиной волны l > 10 м как отличная металлическая пластина (рис. 20.22).

Но плотность потока энергии для длинных и средних волн из-за относительно малой частоты излучения относительно невелика. Поэтому при отражениях от ионосферы и от земной поверхности длинные и средние волны больше всего подходят для надежной радиосвязи на небольших расстояниях.

Рис. 20.23   Рис. 20.24

Короткие волны. Эти волны хуже огибают препятствия на земной поверхности, поэтому возможно образование радиотени (рис. 20.23).

Но поскольку плотность потока энергии коротких волн выше, чем у средних и длинных, то за счет многократных отражений от ионосферы и земной поверхности короткие волны могут осуществлять радиосвязь на значительно бóльшие расстояния, чем длинные и средние волны (рис. 20.24).

Ультракороткие волны (УКВ). Именно на УКВ передаются сигналы телевизионных передатчиков. УКВ не отражаются ионосферой – они проходят ее насквозь. Поэтому сигнал на этих волнах можно передавать только в пределах прямой видимости. Но именно за счет того, что ионосфера прозрачна для УКВ, возможна спутниковая радиосвязь (рис. 20.25).

Радиосигналы с Земли принимается спутником связи, находящимся на очень большой высоте, значительно превышающем радиус Земли, а затем ретранслируется в нужную точку земной поверхности. Именно так осуществляется телевещание в отдаленные районы Сибири и Дальнего Востока.

СТОП! Решите самостоятельно: А2–А5, В3–В8.

Рис. 20.25

Задача 20.1. Найти диапазон длин волн генератора, возбуждающего электромагнитные колебания заданной амплитуды и частоты, если он рассчитан на диапазон частот от f₁ = 0,10 МГц до f₂ = = 26 МГц.

f1 = 0,10 МГц f2 = 26 МГц	Решение. Найдем длины волн, соответствующие частотам f1 и f2. Если Т – период волны, то .
l1 = ? l2 = ?

Тогда = 3,0 км;

12 м.

Ответ: l₁ » 3,0 км; l₂ » 12 м.

СТОП! Решите самостоятельно: А6–А9, В9–В12, D1.

Задача 20.2. Радиоприемник настроен на радиостанцию, работающую на длине волны l₁ = 25 м. Во сколько раз нужно изменить емкость приемного колебательного контура радиоприемника, чтобы настроиться на длину волны l₂ = 31 м?

l1 = 25 м l2 = 31 м	Решение. Период колебаний в контуре (L – индуктивность, С – емкость) связан с длиной волны и скоростью света соотношением Т = l/с. Следовательно,
с2/с1 = ?

, (1)

. (2)

Разделив (2) на (1), получим

.

Ответ: .

СТОП! Решите самостоятельно: А10, А11, В13, В14, С1, D2.

Задача 20.3. Радиоприемник можно настраивать на прием радиоволн различной длины: от l₁ = 25 м до l₂ = 200 м. В какую сторону и во сколько раз надо изменить расстояние d между пластинами плоского конденсатора, включенного в колебательный контур радиоприемника, при переходе к приему более длинных волн?

l1 = 25 м l2 = 200 м	Решение. Период колебаний в контуре . (1) Длина волны l = сТ = . (2)
d2/d1 = ?

Емкость конденсатора

С = (ee₀S)/d. (3)

Подставляя (3) в (2), получим

l = 2pс . (4)

Для длин волн l₁ и l₂ соответственно имеем

l₁ = 2pс . (5)

l₂ = 2pс . (6)

Разделив (5) на (6), получим

.

Ответ: .

СТОП! Решите самостоятельно: А12, В15, С3.

Задача 20.4. Конденсатор колебательного контура приемника имеет емкость С. На какую длину волны резонирует контур приемника, если отношение максимальных значений напряжения на контуре и тока в катушке при резонансе равно т/п?

С U0/I0 = m/n	Решение. Согласно закону сохранения энергии . (1) Длина волны
l = ?

. (2)

Выразим L из (1) и подставим в (2):

,

.

Ответ: .

СТОП! Решите самостоятельно: С4, D3.

Радиолокация

Радиолокация – это обнаружение и точное определение положения и скорости движения объектов, отражающих радиоволны: самолетов, кораблей и т.д.

Принцип радиолокации довольно прост (рис. 20.26): на объект (например, самолет) посылается остронаправленный пучок электромагнитных волн сверхвысокой частоты (10⁸ – 10¹¹ Гц) (СВЧ). Длина таких волн составляет соответственно от 3 мм до 3 м, что значительно меньше размеров объекта. Поэтому такие волны хорошо отражаются, и часть (очень маленькая) электромагнитного излучения возвращается обратно. Измерив время t «путешествия» радиосигнала туда и обратно, можно определить расстояние до объекта. В самом деле, если расстояние до объекта равно l, то путь волн туда и обратно составляет 2l. Значит: 2l = сt, отсюда

Рис. 20.26

. (20.3)

Задача 20.5. Чему равно расстояние до самолета, если посланный наземным радиолокатором сигнал после отражения от самолета возвратился к радиолокатору спустя 2×10^–4 с?

t = 2×10–4 с	Решение. Воспользуемся формулой (20.3):
l = ?

Ответ:

СТОП! Решите самостоятельно: А14, А15.

Радиолокаторы представляют собой установки импульсного действия. Передатчик излучает волны кратковременными импульсами (рис. 20.27).

Рис. 20.27

Длительность каждого импульса t составляет миллионные доли секунды, а промежуток между импульсами Т примерно в 1000 раз больше. Ясно, что минимально возможное расстояние, на котором может быть обнаружен объект, определяется из условия

2l ³ сt, (20.4)

т.е. отраженный сигнал должен вернуться в установку не раньше, чем закончится испускание импульса. Иначе отраженный сигнал «наложится» на гораздо более сильный отправляемый сигнал, и его трудно будет заметить.

Максимальная дальность L обнаружения объекта определяется временем Т: отраженный сигнал должен вернуться не позднее, чем начнется испускание очередного импульса, поэтому

2L £ сТ. (20.5)

Задача 20.6. Радиолокатор работает в импульсном режиме. Частота повторения импульсов f = 1700 Гц, длительность импульса t = 0,80 мкс. Найдите максимальную и минимальную дальность обнаружения цели данным радиолокатором.

f = 1700 Гц t = 0,80 мкс	Решение. Сначала воспользуемся формулой (20.4): 2l = сt Þ » 1,2×102 = 0,12 км.
l = ? L = ?

Учтем, что Т = 1/f, и воспользуемся формулой (20.5):

м = 88 км.

Ответ: l » 0,12 км; L » 88 км.

СТОП! Решите самостоятельно: А16, В16–В17.