24.2. Вектор Умова – Пойнтинга

При распространении электромагнитных вол происходит перенос энергии. Количественной характеристикой такого переноса служит вектор плотности потока энергии, который применительно к электромагнитным волнам называется вектором Умова-Пойнтинга.

В электромагнитной волне необходимо учитывать энергию электрического и магнитного полей, поэтому плотность энергии волны

.

(24.14)

Средние значения энергии электрического и магнитного полей равны:

.

Отсюда

.

(24.15)

С учетом (24.15) выражение для плотности энергии электромагнитной волны (24.14) можно преобразовать к виду

;

.

(24.16)

Подставив (24.16) в выражение для плотности потока энергии (22.9), получим

или в векторной форме

.

(24.17)

С учетом (24.11) выражение (24.17) можно записать в виде

.

(24.18)

Последнее выражение и представляет собой вектор Умова-Пойнтинга.

24.3. Особенности распространения электромагнитных волн

Теоретическое предсказание Максвелла (1961 г.) о существовании электромагнитных волн было экспериментально подтверждено Г. Герцем в 1895 г. В настоящее время электромагнитные волны получили широкое практическое применение для передачи информации (радиовещание, телевидение и др.).

Рассмотрим кратко общие принципы передачи информации с помощью электромагнитных волн и некоторые особенности, возникающие при распространении электромагнитных волн различного диапазона.

Для передачи информации с помощью электромагнитной волны необходимо изменять по некоторому, заранее согласованному закону ее параметры (амплитуду, частоту или начальную фазу), т.е. модулировать эти параметры, причем частота модуляции  должна быть значительно меньше частоты основной (несущей) волны. В соответствии с этим различают 1) амплитудную модуляцию, когда значение амплитуды изменяется со временем по закону E=E₀(1+mcost), где называется глубиной модуляции; 2) частотную модуляцию: =₀(1+mcost); 3) фазовую модуляцию =₀(1+mcost). Каждый из видов модуляции имеет определенные преимущества и соответственно область использования, однако рассматривать это в данном пособии не будем.

В технике связи используются электромагнитные волны, длина волны которых лежит в диапазоне 10⁴-10^-2 м. Этот диапазон обычно разбивается на ряд более узких интервалов, каждый из которых связан с особенностями распространения электромагнитных волн с различной длиной волны в земных условиях, имеет свою область применения.

Длинные электромагнитные волны (=10⁴...10³ м) распространяются в пределах всей поверхности Земли, огибая ее вследствие дифракции, и пригодны для дальнейшей радиосвязи. Однако длинные волны требуют значительной мощности в излучателях (~10²...10³ кВт), что является их недостатком.

Примерно такими же характеристиками обладают и электромагнитные волны средневолнового диапазона (10³...10² м), однако их дальнейший прием не всегда надежен.

Короткие волны (=10²...10¹ м) не могут огибать земную поверхность и распространяются за счет отражения от верхних, ионизированных слоев атмосферы (ионосферы) — рис. 24.2. Короткие волны позволяют осуществлять дальнюю радиосвязь при малых мощностях излучателя (~1...10 Вт), однако условия отражения от ионосферы не являются стабильными и поэтому такая связь менее надежна.

Рис. 24.2

Ультракороткие волны (=10¹...10⁰ м) распространяются подобно световым волнам на дистанцию прямой видимости и применяются для оперативной радиосвязи на малых расстояниях. Однако высокая частота ультразвуковых волн позволяет передавать с их помощью значительные объемы информации, что используется в телевидении.

Для дециметровых волн (=10⁰...10^-1 м) ионосфера прозрачна, что позволяет использовать их для космической и спутниковой связи.

Сантиметровые волны используются в радиолокации.