15. Вектор Умова-Пойнтинга
Правило буравчика.
Если буравчик с правой резьбой вращать по кратчайшему пути от вектора E до вектора H, то поступательное движение буравчика укажет направление распространения электромагнитной волны (направление вектора Умова-Пойнтинга).
В 1874 году профессор Умов ввел понятие о потоке энергии. В 1880 году Пойнтинг применил это понятие к исследованию электромагнитного поля. Вектор Умова-Пойнтинга – это вектор, указывающий направление распространения электромагнитной энергии и равный по величине мощности потока электромагнитной волны, проходящего через единичную площадку, расположенную перпендикулярно к направлению движения волны.
S=EH
По величине вектор Умова-Пойнтинга равен:
Вывод: распространение электромагнитной волны возможно лишь при наличии обеих ее составляющих (электрической и магнитной). Мощность электромагнитной волны пропорциональна квадрату напряженности электрического или магнитного поля.
16. Процесс излучения электромагнитных волн
Излучение радиоволн – это процесс преобразования энергии высокочастотных колебаний в энергию электромагнитных волн.
Рассмотрим линию, разомкнутую на конце, подключенную к генератору синусоидальной ЭДС. Выделим в линии два элементарных участка A и B, удаленных друг от друга на расстояние r. Рассмотрим токи на участках A и B и магнитные потоки, создаваемые токами.
На участке A течет ток с амплитудой Im
Ток Ia создает магнитный поток с амплитудой Фm
Так как электромагнитное поле распространяется с конечной скоростью, то магнитное поле, возникшее на участке A достигнет участка B спустя некоторое время ∆t, поэтому магнитный поток Фв, вызванный током Ia будет отставать от потока Фa на угол φ. И этот угол будет равен:
Магнитный поток Фв
Как известно из теории длинных линий в разомкнутой линии, работающей в режиме стоячих волн токи в любом сечении совпадают по фазе, а магнитный поток Фв отстает от тока Iв на угол φ. По закону электромагнитной индукции ЭДС, индуцируемая магнитным потоком Фв отстает от него на угол 90˚ и на угол 90˚+ φ от тока Iв.
Вектор Е можно разложить на 2 составляющие Е1 и Е2. Составляющая Е1 сдвинута относительно тока на 90˚ и характеризует реактивную энергию, которая движется от провода, а затем полностью возвращается в него (нет полезного излучения). Составляющая Е2 находится в противофазе с токами и характеризует энергию, излучаемую проводом. Энергия выделяется за счет протекания тока смещения между проводами через волновое сопротивление пространства.
Увеличение E2 в приоритете, частота должна быть соизмерима с длиной. Для высоких частот возможно появление электромагнитных волн.
Два провода компенсируют друг друга. Вектора напряженности будут противоположно направленны. Если их раздвинуть будет сдвиг по фазе, но излучения будет минимальным. Нужно развернуть провода, чтобы они были на одной оси. Тогда получится симметричный вибратор.
Выводы:
1) для увеличения значения φ следует выбирать длину провода r достаточно большой и соизмеримой с длиной волны;
2) практически требуемое для эффективного излучения соотношение между r и λ достигается лишь при возбуждении в излучающем проводе тока высокой частоты.
При параллельном или близком друг к другу расположении проводов электрические и магнитные поля разных проводов взаимно компенсируются в результате чего излучение энергии не происходит. Для устранения взаимной компенсации электрического и магнитного полей следует увеличить расстояние между проводами. Наиболее эффективное излучение достигается при развертывании двухпроводной линии в одну прямую линию. Такое устройство называется симметричным вибратором.
Свойства:
1) в точках разных плеч вибратора, равноудаленных относительно источника питания токи совпадают по фазе, а фазы напряжений противоположны;
2) симметричный вибратор вдоль своей оси не излучает, излучение происходит в плоскости, перпендикулярной оси вибратора.