Излучение диполя.
Излучение диполя — это простейший и наиболее фундаментальный механизм генерации электромагнитных волн. Под диполем в данном контексте обычно подразумевают электрический диполь, момент которого периодически изменяется, что характерно для антенн.
1. Условие излучения диполя
Излучение электромагнитных волн возможно только при ускоренном движении зарядов. В случае диполя это достигается за счёт переменного (колеблющегося) дипольного момента.
Колеблющийся
электрический диполь
представляет собой два заряда (
),
которые совершают гармонические
колебания вдоль оси
,
создавая переменный дипольный момент:
где
— вектор, соединяющий заряды.
2. Принцип излучения
Колеблющийся диполь создаёт вокруг себя два типа поля:
Ближнее поле (квазистационарное): Его компоненты убывают обратно пропорционально
и
(где
— расстояние от диполя). Это поле имеет
преимущественно электрический или
магнитостатический характер и не
переносит энергию
на большие расстояния (не излучает).Дальнее поле (волновое/излучения): Его компоненты убывают обратно пропорционально
.
Это поле отрывается
от диполя и распространяется в
пространстве в виде электромагнитной
волны,
перенося энергию.
3. Характеристики Излучения а. Мощность Излучения ( )
Полная средняя мощность, излучаемая колеблющимся диполем, определяется формулой Лармора (или её модификацией для гармонических колебаний):
Зависимость
от частоты:
Мощность излучения резко
растёт
с увеличением частоты (
).
Именно поэтому
для эффективной радиосвязи необходимы
высокие частоты.
Зависимость
от момента:
Мощность пропорциональна квадрату
максимального дипольного момента (
).
Б. Диаграмма Направленности
Излучение диполя не является изотропным (одинаковым во всех направлениях).
Максимум излучения: Интенсивность излучения максимальна в плоскости, перпендикулярной оси диполя.
Минимум излучения (нуль): Излучение равно нулю вдоль оси диполя.
В. Поляризация
Излучённая волна является линейно поляризованной. Вектор напряжённости электрического поля лежит в плоскости, содержащей ось диполя и направление наблюдения.
4. Диполь как антенна
Колеблющийся диполь является идеализированной моделью простейшей передающей антенны — симметричного вибратора (дипольной антенны).
Диполь можно рассматривать как разомкнутый (открытый) колебательный контур, который специально предназначен для излучения энергии в окружающее пространство, в отличие от замкнутого LC-контура, предназначенного для её сохранения.
Элементы зонной теории твёрдых тел. Металлы, диэлектрики и полупроводники.
Зонная теория твёрдых тел объясняет электрические свойства материалов (металлов, диэлектриков, полупроводников) на основе различий в энергетическом спектре электронов.
1. Элементы Зонной Теории
В изолированном атоме электроны находятся на дискретных энергетических уровнях. Когда атомы объединяются в твёрдое тело (кристаллическую решётку), их внешние электронные оболочки перекрываются. В результате:
Расщепление уровней: Каждый дискретный энергетический уровень атома расщепляется на огромное количество тесно расположенных уровней.
Энергетические зоны: Совокупность этих тесно расположенных уровней образует разрешённую энергетическую зону (или просто зону).
Запрещённая зона (
):
Между разрешёнными зонами существуют
диапазоны энергий, которыми электроны
обладать не могут. Это запрещённая
зона (или зона непроводящих состояний).
Ширина
является ключевой характеристикой,
определяющей тип материала.
Основные зоны:
Валентная зона (ВЗ): Самая верхняя разрешённая зона, которая полностью или частично заполнена электронами. Электроны в этой зоне связаны с атомами и не участвуют в проводимости.
Зона проводимости (ЗП): Следующая, более высокая разрешённая зона, которая может быть пустой или частично заполненной. Электроны, попавшие в эту зону, становятся свободными и могут проводить электрический ток.
Электрическая проводимость материала определяется тем, насколько легко электроны могут перейти из валентной зоны в зону проводимости.
2. Классификация Твёрдых Тел по Зонной Теории
Энергетическая структура разрешённых и запрещённых зон определяет три основных типа материалов:
А. Металлы (Проводники)
Металлы обладают высокой проводимостью при нормальных условиях.
Зонная структура:
Валентная зона и зона проводимости перекрываются.
Запрещённая зона отсутствует (
).
Из-за перекрытия зоны
проводимости имеют множество свободных
электронов даже при
.
Для участия в проводимости электронам
не нужно преодолевать энергетический
барьер.
Увеличение температуры
приводит к усилению тепловых колебаний
решётки
,
что увеличивает сопротивление
(проводимость падает).
Б. Диэлектрики (Изоляторы)
Диэлектрики практически не проводят ток.
Зонная структура:
Валентная зона полностью заполнена.
Зона проводимости полностью пуста.
Ширина запрещённой зоны ( ) очень велика (
).
При нормальной температуре тепловая энергия не способна перебросить электроны через такую широкую запрещённую зону. Проводимость крайне низка.
Проводимость очень слабо растёт с температурой, но остаётся пренебрежимо малой.
В. Полупроводники
Полупроводники имеют промежуточные свойства.
Зонная структура:
Валентная зона полностью заполнена.
Зона проводимости пуста.
Ширина запрещённой зоны ( ) мала (
,
например, для германия
,
для кремния
).
При низких температурах они ведут себя как диэлектрики. При повышении температуры или под действием света электроны могут преодолеть малый барьер и перейти в зону проводимости, оставляя за собой дырки в валентной зоне. Таким образом, проводимость осуществляется как электронами, так и дырками.
Увеличение температуры резко увеличивает проводимость (сопротивление падает). Это главное отличие полупроводников от металлов.
Электрические свойства полупроводников можно контролировать с помощью легирования (введения примесей), что делает их основой всей современной электроники.