Основные принципы формирования электромагнитных колебаний. Электромагнитное поле и его основные характеристики
Переменный ток высокой частоты, протекающий в проводнике (антенне) возбуждает в пространстве вокруг этого проводника переменное электромагнитное поле, представляющие собой совокупность изменяющихся во времени и пространстве, взаимосвязанных, ориентированных перпендикулярно друг к другу электрического и магнитного полей. Переменное электромагнитное поле распространяется от проводника, которым оно излучается, во все стороны в виде электромагнитных волн с постоянной скоростью, близкой к скорости света c равной 300000 км/сек. Если ток в излучающем проводнике (антенне) изменяется во времени по гармоническому (синусоидальному или косинусоидальному) закону, график которого показан на рис. 1. с периодом изменения Т, то он может быть выражен формулой
i = Im sin t;
где:
i – мгновенное значение тока;
Im – амплитуда, т. е. максимальное значение тока;
- круговая частота колебаний тока, связанная с частотой колебаний f = 1/T соотношением = 2f.
Рис. 1.
Частота колебаний f, характеризующая число полных циклов изменения тока в единицу времени, измеряется в герцах (Гц). Величина o=(to) носит название начальной фазы гармонического колебания и измеряется в долях периода колебаний Т. Таким образом, гармоническое колебание полностью характеризуется: амплитудой колебаний (Im) круговой частотой () и начальной фазой (o).При гармоническом характере колебаний тока в проводнике электромагнитные волны, излученные им, также имеют гармонический характер изменения их электрического и магнитного полей. Расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна в пространстве за время одного периода колебаний, называется длиной волны. Длина волны (λ) связана с частотой колебаний переменного тока в излучающем проводнике соотношением: cT = c1/f
Современная наука установила, что вещество не является единственно возможной формой существования материи. Наряду с веществом материя существует и в форме полей: электрического, магнитного, электромагнитного, гравитационного, ядерного и т. д. Всякий электрический заряд или совокупность электрических зарядов создают в окружающем пространстве электрическое поле, которое характеризуется вектором напряженности электрического поля. Длина вектора в некотором масштабе выражает величину силы воздействия поля на единичный положительный заряд, а направление указывает направление действия этой силы. Напряженность электрического поля измеряется в В/м и обозначается буквой Е.
Электрическое поле графически изображают в виде совокупности электрических силовых линий, густота которых пропорциональна напряженности поля. Векторы напряженности электрического поля в любых точках поля касательны к электрическим силовым линиям, проходящим через эти точки.
Подобно тому, как вокруг электрических зарядов образуется Электрическое поле, вокруг магнитов, проводников с током (или свободных движущихся электрических зарядов) образуется магнитное поле. Для характеристики магнитного поля используют вектор напряженности магнитного поля. Этот вектор характеризует величину и направление силы, с которой поле действует в данной точке на проводник с током (магнит). Напряженность магнитного поля измеряется в Вб/м и обычно обозначается буквой Н. Магнитное поле также изображают в виде совокупности силовых линий, густота которых пропорциональна величине напряженности магнитного поля.
Электрические и магнитные поля могут существовать раздельно лишь в том случае, если эти поля являются постоянными. Быстропеременные электрические и магнитные поля раздельно существовать не могут. Связь между электрическими и магнитными полями характеризуется следующими законами.
1) Всякое изменение магнитного поля в какой-либо области пространства вызывает появление в этой области изменяющегося электрического поля. Напряженность электрического поля пропорциональна скорости изменения напряженности магнитного поля, силовые линии вызвавшего его переменного магнитного поля. В каждой точке рассматриваемого пространства вектор напряженности магнитного поля и вектор напряженности электрического поля взаимно перпендикулярны.
Направления силовых линий электрического поля при различных изменениях магнитного поля указаны на рис. 2а, на котором силовые линии магнитного поля изображены сплошными линиями, а характер их изменения - пунктирными.
2
)
Всякое изменение электрического поля
в какой-либо области пространства
вызывает появление в этой области
изменяющегося магнитного поля.
Напряженность магнитного поля
пропорциональна скорости изменения
напряженности электрического поля, а
силовые линии магнитного поля охватывают
силовые линии вызвавшего их переменного,
электрического поля. В каждой точке
рассматриваемого пространства вектор
напряженности электрического поля и
вектор напряженности магнитного поля
взаимно перпендикулярны.
Рис 2. Взаимодействие электрических и магнитных полей:
а – электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля; б – магнитное поле, возникающее при изменении электрического поля.
Направление силовых линий магнитного поля зависит от характера изменения электрического поля. Направление силовых линий магнитного поля при различных изменениях электрического поля указано на рис. 2б, на котором силовые линии электрического поля изображены сплошными линиями, а характер их изменения - пунктирными. При изменениях электрических и магнитных полей изменение поля одного вида вызывает изменение поля другого вида, что в свою очередь вызывает изменение поля первого вида. Благодаря этому оба переменных поля существуют одновременно в виде единого электромагнитного поля, которое может быть представлено в каждой точке пространства двумя взаимно перпендикулярными векторами Е и Н.
Важнейшей особенностью электромагнитного поля является то, что изменяющееся во времени единое электромагнитное поле перемещается в пространстве во все стороны от точки, в которой возникло первоначальное изменение поля (возмущение). Направление перемещения электромагнитного поля зависит от взаимной ориентации векторов электрического и магнитного полей и может быть определено по правилу буравчика. Направление перемещения электромагнитного поля совпадает с направлением перемещения буравчика, размещенного перпендикулярно к плоскости, в которой находятся векторы Е и Н, если рукоятку буравчика поворачивать от вектора Е к вектору Н по кратчайшему пути.