- •Введение
- •Электромагнитные волны
- •Основные законы электромагнитного поля
- •Электромагнитные волны и их свойства
- •Общие вопросы распространения радиоволн. Основные определения
- •Тропосфера
- •Строение и основные параметры тропосферы
- •Влияние тропосферы на распространение земных радиоволн. Явление тропосферной рефракции
- •Состав и строение верхних слоев атмосферы
- •Особенности распространения сверхдлинных и длинных радиоволн
- •Общие сведения
- •Скорость распространения
- •Особенности распространения средних волн
- •Антенны. Общие понятия
- •Назначение и классификация антенн
- •Назначение передающей и приемной антенн
- •Структурная схема антенны
- •Расчет электромагнитных полей излучающих систем в дальней, промежуточной и ближней областях
- •Векторная комплексная диаграмма направленности антенны
- •Рабочая полоса частот и предельная мощность антенны
- •Шумовая температура приемной антенны
- •Взаимное сопротивление разнесенных антенн
- •Передающая антенна как четырехполюсник
- •О передаче мощности между двумя антеннами
- •Антенна как открытый колебательный контур
- •Общие характеристики антенн
- •Сопротивление излучения
- •Сопротивление потерь
- •Полное активное сопротивление антенны
- •К. П. Д. Антенны
- •Входное сопротивление антенны
- •Характеристики направленности антенны
- •Диапазонные свойства антенны
- •Максимальное напряжение в антенне
- •Эксплуатационные характеристики передающей антенны
- •Формулы идеальной радиопередачи
- •Мощность, отдаваемая приемной антенной приемнику
- •Антенны длинных и средних волн
- •Виды антенн
- •Ромбические антенны
- •Антенна бегущей волны
- •Информация в радиотехнических системах
- •Классификация радиотехнических систем
- •Количество и характер информации
- •Вероятностное описание сообщений (непрерывных, импульсных, цифровых)
- •Классификация ртс по характеру сообщений
- •Основы телевидения
- •Телевизионные радиопередатчики. Общая характеристика
- •Телевизионные приемники
- •Системы телевидения. Основные понятия и принципы
- •Телевизионная развертка изображений
- •Кодирование сигналов в системах цветного телевидения
- •Телевизионный приемник цветного изображения
- •Сотовые системы связи
- •Радиальные системы с каналами общего доступа. Сотовые системы I поколения (аналоговые)
- •Системы с сотовой структурой
- •Космические радиолинии
- •Радиолинии «земля — космос», «космос — земля», «космос — космос»
- •Ретрансляционные радиолинии
- •Принцип радиорелейной связи
- •Классификация радиорелейных линий
- •Цифровая обработка сигналов
- •Структура и характеристики цифрового фильтра
- •Цифровой фильтр
- •Синтез цифрового фильтра
- •Устройства питания
- •Назначение и параметры
- •Выпрямители
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Электромагнитные волны
Электромагнитные волны представляют собой переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве со скоростью света и характеризующееся наличием магнитного и электрического полей, связанных непрерывным взаимным превращением. Таким образом, электрическое и магнитное поля являются различными проявлениями единого электромагнитного поля.
Электромагнитное поле представляет собой форму существования материи. Как и вещество, оно обладает массой, энергией и имеет ряд особенностей, например может существовать в свободном пространстве, не содержащем заряженных тел или проводников с током.
Основные законы электромагнитного поля
Электрическое поле. Источниками электрического поля являются электрические заряды Q. Это поле воздействует на помещенные в него заряженные тела с определенной силой. Вектор Е, характеризующий электрическое поле и определяющий силу, действующую на заряженную частицу (единичный положительный заряд) со стороны электрического поля, называется напряженностью электрического поля. Графически поле принято изображать с помощью условных линий напряженности, которые проводятся так, чтобы касательные к ним совпали с направлением вектора Е, а их плотность, т.е. количество, приходящееся на единицу площади, была пропорциональна длине этого вектора (рис. 1,а). Если напряженность во всех точках пространства имеет одну и ту же величину и направление, поле называется однородным или равномерным (рис. 1,6).
Электрическое поле удобно характеризовать с помощью понятия о потоке вектора напряженности N через некоторую поверхность, имеющую площадь S.
Рис. 1. Линии напряженности постоянных во времени электрических полей:
а — неоднородного; б — однородного; в — точечного заряда
Смысл этого понятия иллюстрируется рис. 1,в, на котором изображены линии напряженности электрического поля точечного положительного заряда Опишем вокруг этого заряда сферу с произвольным радиусом r и выделим на ее поверхности элементарный участок площадью dS (элемент поверхности), перпендикулярный вектору Е. Произведение назовем потоком вектора Е через элемент поверхности Этот поток можно условно представить числом линий напряженности поля, пронизывающих поверхность . Чтобы найти полный поток этого вектора через поверхность сферы, определим интеграл воспользовавшись законом Гаусса для электрического поля: поток вектора напряженности электрического поля сквозь замкнутую поверхность в среде с абсолютной диэлектрической проницаемостью прямо пропорционален алгебраической сумме зарядов находящихся внутри этой поверхности, т. е.
(1)
В рассматриваемом случае (1) преобразуется: , а если заряд находится в вакууме, то где Ф/м — электрическая постоянная.
Если в электрическое поле поместить проводник, свободные заряженные частицы в нем (электроны, ионы), совершающие беспорядочное тепловое движение, приобретают составляющие скорости вдоль линий напряженности поля, образуя электрический ток проводимости Этот ток определяется общим зарядом частиц , проходящих через поперечное сечение проводника S, в единицу времени t, т. е. Отношение называется плотностью тока проводимости. Можно показать, что в соответствии с законом Ома плотность тока . прямо пропорциональна напряженности электрического поля Е, в котором находится проводник.
Рассмотрим ток проводимости в электрической цепи, содержащей конденсатор. Обратимся к рис. 2, на котором изображена электрическая цепь, состоящая из источника постоянной ЭДС Е', конденсатора С, между пластинами которого находится диэлектрик, имеющий диэлектрическую проницаемость переключателя S' и резистора R.
Установим переключатель в положение 1, тогда конденсатор С начнет заряжаться. В промежутке времени заряд на пластине конденсатора изменяется на значение которое изменяет напряженность электрического поля на и, следовательно, изменяет поток, вектора напряженности через пластину конденсатора где S —площадь пластины.
Рис. 2. Токи проводимости и смещения в цепи с конденсатором
Тогда в соответствии с законом Гаусса откуда
(2)
Левая часть (2) представляет собой плотность тока проводимости пропорциональную, как уже указывалось, напряженности поля Е. В правой части уравнения записана величина, названная Максвеллом плотностью тока смещения, , которая пропорциональна скорости изменения напряженности поля во времени. Таким образом, или . Последние равенства выражают свойство непрерывности электрического тока, которое применительно к рассматриваемой цепи означает, что ток проводимости в пластине конденсатора переходит в равный ему ток смещения в диэлектрике, разделяющем пластины конденсатора [3].
По мере заряда конденсатора напряженность поля между пластинами увеличивается, поэтому производная , а следовательно, ток смещения больше нуля. Направление токов проводимости и смещения для рассматриваемого случая показано сплошными линиями. Когда конденсатор зарядится, электрическое поле в нем станет постоянным, поэтому ток смещения прекратится. В соответствии со свойством непрерывности ток проводимости также прекращается, поскольку электрическое поле, создаваемое источником ЭДС, компенсируется противоположно направленным полем в конденсаторе.
Переведем переключатель S' в положение 2. Конденсатор начинает разряжаться. Направление тока проводимости изменяется на противоположное (штриховые линии на рис. 2). Так как напряженность поля между пластинами конденсатора уменьшается, производная становится отрицательной и ток смещения, как ток проводимости, меняет направление на обратное.
Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем движущиеся электрические заряды, и оказывает силовое воздействие на движущиеся в поле заряженные частицы. Вектор В, характеризующий магнитное поле и определяющий силу, действующую на движущуюся заряженную частицу (единичный заряд, движущийся с единичной скоростью) со стороны магнитного поля, называется магнитной индукцией. Часто магнитное поле характеризуют вектором напряженности магнитного поля , где — абсолютная магнитная проницаемость среды. В вакууме , где — магнитная постоянная.
Графически магнитное поле принято изображать с помощью условных линий магнитной индукции, которые проводятся так, чтобы касательная к ним определяла направление векторов, а плотность линий была пропорциональна длине этих векторов (рис. 3). Линии магнитной индукции всегда замкнуты, поэтому магнитное поле называют вихревым (отметим для сравнения, что линии напряженности постоянного во времени электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных, что свидетельствует о безвихревом характере такого поля).
Число линий магнитной индукции, пересекающих некоторую поверхность S, характеризуется потоком вектора В через эту поверхность Ф, или магнитным потоком. Согласно закону Гаусса для магнитного поля полный магнитный поток через замкнутую поверхность:
(3)
Для магнитного поля справедлив закон полного тока, который устанавливает связь между напряженностью магнитного поля и током, вызвавшим это поле. На рис. 10.4 сплошной линией показан произвольный контур длиной l, который пронизывается током i.
Рис. 3. Линии магнитной индукции проводника с постоянным током
Выделим на контуре элемент длины dl и спроецируем на направление этого элемента вектор Н (штриховой линией показана линия магнитной индукции, пересекающая элемент длины). Проекция вектора , где — угол между касательной к линии магнитной индукции и касательной к элементу dl. Просуммировав произведения по всему контуру и перейдя к интегралу, получим циркуляцию вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру . Тогда закон полного тока
(4)
где – полный ток, пронизывающий контур l.
Взаимосвязь между переменным электрическим и магнитным полями. Перейдем теперь к анализу электромагнитного поля, свойства которого описываются четырьмя уравнениями Максвелла, обобщающими основные законы электродинамики — теории, изучающей электромагнитные процессы в различных средах и в вакууме.
Первое уравнение Максвелла для идеального диэлектрика, в котором отсутствует ток проводимости, записывается в следующем виде:
(5)
Это уравнение является математической записью обобщенного закона полного тока. Левая часть (5) представляет собой циркуляцию вектора напряженности магнитного поля, а правая — ток смещения, пропорциональный производной . Это означает, что всякое изменение во времени напряженности электрического поля приводит к появлению магнитного поля (рис. 4, а).
Рис. 4. Взаимосвязь электрического и магнитного полей
Второе уравнение Максвелла
(6)
В левой части (6) записано выражение для циркуляции вектора напряженности электрического поля по замкнутому контуру l, определяющее ЭДС в этом контуре. Понятие о циркуляции поясним с помощью рис. 4, б. На этом рисунке показан проводящий контур длиной l, помещенный в переменное магнитное поле с напряженностью Н. Выделим на контуре элементарный участок длиной dl, пересекаемый линией магнитной индукции. Проекция вектора Е на направление dl есть где угол между вектором Е и касательной к элементу dl. Просуммируем произведение по длине контура и перейдем к интегралу. Тогда получим циркуляцию .
Выражение, стоящее в правой части (6), представляет собой изменяющийся во времени магнитный поток. Следовательно, второе уравнение Максвелла является обобщением закона электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому в проводящем контуре, помещенном в переменное магнитное поле, индуктируется ЭДС, прямо пропорциональная скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур. По теории Максвелла ЭДС, т. е. электрическое поле, будет индуктироваться не только в проводящем контуре, ограничивающем некоторую поверхность, но и в любом условном контуре, не содержащем проводников и находящемся в любой среде, в том числе в вакууме. Поэтому можно сделать следующий важный вывод: всякое изменение во времена магнитного поля вызывает появление электрического поля.
Формулы (5) и (6) являются главными в системе уравнений Максвелла. Из третьего и четвертого уравнений этой системы, основой которых являются законы Гаусса для электрического и магнитного полей, следует, что в свободном пространстве электрическое поле, полученное в результате изменения магнитного, имеет вихревой характер, в то время как магнитное поле всегда вихревое. Это означает, что линии напряженности переменного электрического поля замкнуты и охватывают линии индукции вызвавшего его переменного магнитного поля. В пространстве с проводниками линии напряженности электрического поля могут быть незамкнутыми; они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
Уравнения Максвелла позволяют установить условия возникновения и существования переменного электромагнитного поля. Пусть в некоторой области пространства имеется излучающий проводник, по которому проходит переменный ток i. Согласно первому уравнению Максвелла вблизи проводника появляется переменное магнитное поле с замкнутыми линиями магнитной индукции. Согласно второму уравнению изменение магнитного поля приводит к появлению переменного электрического поля с замкнутыми линиями напряженности. В непосредственной близости от проводника эти поля являются связанными и исчезают при прекращении тока в нем. Поскольку ток в проводнике переменный, электромагнитное поле также изменяется во времени; его магнитная составляющая вызывает переменное электрическое поле не только вблизи проводника, но и в соседних областях пространства. Электрическое поле создает ток смещения, который согласно первому уравнению Максвелла вызывает новые вихри магнитного поля (рис. 5). Образованные поля уже не связаны с проводником, а являются свободными. Они непрерывно изменяются во времени и благодаря этому распространяются в пространстве со скоростью света, образуя электромагнитные волны.
Рис. 5. Образование электромагнитных волн