Электродинамика (РТФ, Климовский, 5 семестр) / Электродинамика .pdf / ЭД (2.1)

2.1. Излучение электромагнитного поля

Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда порождает электрическое поле, а переменное электрическое поле всегда порождает магнитное, то есть электрические и магнитные поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое э л е к т р о м а г н и т н о е п о л е . Теория Максвелла объединила в одно два взаимодействия – электрическое и магнитное, до того рассматриваемые как отдельные, независимые взаимодействия.

Особую роль в теории электромагнитного поля играет ток смещения. По Максвеллу, путь протекания полного тока всегда замкнут. Если источник переменного тока включен в цепь, составленную из сопротивлений, катушек индуктивности и конденсаторов, то полный ток замкнут и сохраняется постоянным по величине в любом полном сечении цепи.

Однако на одних участках (в проводниках, в , в ) ток представлен только током проводимости, в объеме конденсатора 2, заполненном идеальным диэлектриком, – только током смещения, в конденсаторе с неидеальным диэлектриком 1 – тем и другим током. Максвелл приписал диэлектрикам свойство пропускать переменный ток – ток смещения. Это имеет исключительно важное как теоретическое, так и практическое значение. Например, пусть в конденсаторе 2 в качестве диэлектрика используется воздух. Тогда ток смещения протекает не только внутри, но и вне объема 2.

Учитывая переменное (с частотой источника) направление линийсм, а также конечную скорость их замыкания (не превышающую скорость света 0), легко понять, что, начиная с некоторого радиуса> изл, линии не успевают замкнуться на противоположную обкладку конденсатора, если время замыкания зам = 2⁄ 0 больше полупериода колебаний зарядов в конденсаторе ⁄2 = 1⁄(2) Значит, при > изл происходит отрыв линий см от обкладок конденсатора. Линия см замыкается сама на себя и существует уже независимо от колебаний, величины и знака электрических зарядов на обкладках конденсатора.

Таким образом, получается, что переменное электрическое поле может существовать в свободном пространстве независимо от источника, породившего его. Устройство, способствующее отрыву (излучению) линий см и появлению свободного электромагнитного поля, в технике называется антенной.

Если развернуть пластины конденсатора, то получится простейшая антенна – симметричный металлический вибратор (излучатель).

Симметричный металлический излучатель эффективно излучает

эффективен при его длине

2ℓ ≥ ⁄2.

Именно полуволновые излучатели 2ℓ = ⁄2 широко используются

вкачестве приемных телевизионных антенн на крышах наших домов и

вквартирах.

Рассмотрим точку , где появляются оторвавшиеся от антенны (или от конденсатора, или, вообще, от любой цепи переменного тока) линии тока смещения. Если окружающая антенну среда – идеальный

вихревое электрическое поле. Первое и второе уравнения Максвелла, таким образом, «зацепляются»:

rot = ,

rot = .

В точке протекает «цепная электромагнитная реакция»: вихрь порождает вихрь , а тот – вновь вихрь и т. д. Процесс этот, развиваясь во времени и в пространстве, формирует электромагнитную волну, разбегающуюся от точки во всех направлениях. Очень важно понять, что описанные взаимопревращения вихрей и появившись в некоторый момент времени в произвольной точке , в дальнейшем не нуждаются в действии источника переменного тока и антенны. Они существуют самостоятельно, и, если в среде нет потерь, замкнутый фронт разбегающейся (излучаемой) от точки электромагнитной волны постепенно охватит все доступное пространство.

Если бы в природе не было токов смещения, в мире не существовало электромагнитных волн.

С точки зрения технической электродинамики, присутствие в уравнениях Максвелла тока смещения ⁄ означает, что любая (неэкранированная) цепь переменного электрического тока обладает некоторым «антенным эффектом», который тем сильнее, чем выше частота тока. Поэтому даже удаленные одна от другой цепи переменного тока «чувствуют» друг друга на расстоянии, так как ответвляющиеся от них линии тока смещения уходят как угодно далеко. Этот эффект специально усиливается с помощью антенн и используется в системах радиосвязи, радиолокации, однако он же приводит к появлению радиопомех и создает проблему электромагнитной совместимости различных радиосредств.

При большой мощности переменного тока в неэкранированной цепи утечка электромагнитных волн за счет токов смещения может создать опасность для жизни растений, животных и человека.