3. Свободное электромагнитное поле

2.4.1 Основные свойства свободного электромагнитного поля

☻ Переменное электромагнитное поле становится свободным в результате своего излучения, т.е. отрыва от источника, без связи с которым оно может существовать и распространяться самостоятельно. Такое поле существует только в движении и только со скоростью света, обладает энергией и переносит ее по пространству с этой же скоростью. Оно может излучаться источником отдельным импульсом или непрерывно. Свободное электромагнитное поле не может быть ни стационарным, ни квазистационарным, оно только нестационарное, обычно периодическое с простым или сложным спектральным составом по частоте.

2.4.2 Механизм излучения свободного электромагнитного поля

☻ Отрыв свободного электромагнитного поля происходит не от самого источника, а в волновой зоне на некотором расстоянии от него. Тогда как в близи источника в зоне при действует переменное квазистационарное электромагнитное поле, которое связи с источником не теряет и к излучению не способно. В промежуточной зоне

,

происходят сложные процессы преобразования неспособного к излучению квазистационарного поля к полю нестационарному, способному к излучению. По достижении волновой зоны излучение свободного электромагнитного поля возникает потому, что в соответствии с уравнениями Максвелла

периодически изменяющиеся поля и в этой зоне становятся способными порождать друг друга и распространяться по пространству без участия источника. Эти два уравнения Максвелла после своих преобразований приводятся к волновым уравнениям для полей и , а из них следует, что излучаемое свободное электромагнитное поле обладает волновыми свойствами. Удаляясь от источника, оно распространяется по пространству самостоятельно со скоростью

,

которая во всех веществах со свойствами и практически совпадает со скоростью света в вакууме (). Это в основном идеальные диэлектрики и близкие к ним несовершенные диэлектрики.

Очевидно величина

,

выражает длину волны свободного электромагнитного поля. Это расстояние, на которое продвигается электромагнитное поле в новые области пространства за один период колебаний. При частотах 50 Гц, 10⁶ Гц и 10⁹ Гц длина волны составляет соответственно 6000км, 30м и 30см. Длиной волны определяются также примерные границы квазистационарной, переходной и волновой зон вокруг источника, соответственно

.

2.4.3 Поток и плотность потока энергии свободного электромагнитного поля

☻ Свободное электромагнитное поле, отрываясь от источника, уходит в окружающее пространство и потоком уносит с собой энергию. Произведение плотности энергии поля w на скорость его распространения выражает плотность потока энергии , а интеграл от плотности потока по замкнутой поверхности S вокруг источника определяет весь поток излучаемой энергии Ф соответственно

где П и Ф измеряется соответственно в и вВт.

4. Источники излучения свободного электромагнитного поля

☻ Не всякий источник переменного электрического или магнитного поля способен образовать эффективно действующую волновую зону, в которой возникает и отрывается с выходом наружу свободное электромагнитное поле. К наиболее эффективно действующим излучателям такого поля относятся антенны. Основное их назначение – задать электромагнитному полю необходимую частоту колебаний и обеспечить на этой частоте максимально возможную мощность излучения (как правило, в избранном направлении). К самым простым излучателям относятся:

– ускоренно движущийся электрический заряд

– переменный электрический диполь

– переменный магнитный диполь.

2.4.5 Излучение свободного электромагнитного поля, ускоренно движущимся электрическим зарядом

☻ Электрический заряд при постоянной скорости движения является источником двух полей и. Но данное электромагнитное поле не отрывается от заряда и не излучается в окружающее пространство. Излучение возбуждается только при переменной скорости движения, когда заряд обладает некоторым ускорением. Мощность излучения свободного электромагнитного поля определяется при этом квадратом ускорения

, .

Только при гармонических колебаниях заряда происходит монохроматическое излучение поля на частоте осциллятора. При иных негармонических ускорениях заряда в излучаемом поле образуется частотный спектр.

2.4.6 Излучение свободного электромагнитного поля переменным электрическим диполем

☻ Электрический диполь становится излучателем при периодическом изменении своего электрического момента , когда

.

Электрический момент может осциллировать в двух случаях, когдаи осциллируети наоборот, когдаи осциллирует. Как показывают расчеты, в обоих случаях результаты по мощности излучения получаются аналогичными

,

где постоянные исоответственно равны:

.

На рис. 2.4.6 схематично показан один из вариантов технической реализации переменного диполя с осциллирующим зарядом на неподвижных полюсах, формально представленных в виде металлических шаров.

Рис. 2.4.6

Переменный электрический диполь

а) перезарядка полюсов от высокочастотного источника тока через коаксиальный кабель (фидер),

б) модель переменного диполя,

в) квазистационарное электромагнитное поле.

Как видно из рисунка, перезарядка полюсов связана с электрическим током между полюсами. Именно переменные заряды на полюсах и электрический ток между ними создают в синфазной зоне квазистационарное электромагнитное поле, как это показано на рисунке. Изучение свабодного электромагнитного поля происходит вдали от диполя в волновой зоне (за пределами рисунка).

2.4.7 Излучение свободного электромагнитного поля переменным магнитным диполем

☻ Переменный магнитный диполь реально связан не с магнитными зарядами, а с электрическим током, когда ток образует вокруг себя магнитное поле с чётко выраженными признаками его полярности. Такими признаками обладает магнитное поле плоского витка с током, магнитный момент которого реально существует и определяется выражением

где – единичная правовинтовая нормаль к плоскости витка, а– его площадь. Уместно подчеркнуть, что магнитный момент микрочастицы трактуется двояко как по амперовской (), так и по кулоновской () моделям. При макроскопических размерах витка с током двойная трактовка его магнитного момента формально тоже возможна путём замены реального витка на модельный магнитный диполь с адекватным магнитным моментом

как это показано на рис. 2.4.7

Рис. 2.4.7

Переменное магнитное поле ~проводникового витка с высокочастотным током ~.

а) возбуждение высоко – частотного тока в витке через коаксиальный кабель (фидер),

б) переменный магнитный момент витка,

в) переменный магнитный момент магнитного диполя.

Замена витка с током на магнитный диполь требует формального вовлечения в расчёты не только магнитного заряда , но и магнитного тока, обеспечивающего периодическую перезарядку магнитных полюсов диполя. Несмотря на очевидную модельность магнитного заряда и магнитного тока, замена реального витка с током на магнитный диполь в расчётных целях практически не исключается и допускается к анализу электромагнитного поля.

По мощности излучения свободного электромагнитного поля переменный магнитный диполь аналогичен переменному электрическому диполю. В обоих случаях

Ф ~ ,Ф ~ .

2.4.8 Квантовые источники излучения

☻ В отличие от макроскопических излучателей в виде переменных диполей или антенн, требующих своего технологического изготовления, квантовые источники существуют естественно и представляют собой излучающие микросистемы в виде молекул, атомов и атомных ядер. Хотя сами макро - и микроисточники отличны друг от друга в принципе, их излучения обладают целым рядом одинаковых свойств фундаментальной физической значимости. Это прежде всего то, что излучаемые поля в обоих случаях имеют одинаковую электромагнитную природу и распространяются с одинаковой скоростью, совпадающей со скоростью света, а также то, что излучаемые поля в обоих случаях обладают энергией и переносят ее в направлении своего распространения.

Они так же обладают массой, импульсом и другими физическими признаками своей материальности. Но столь же значимы и фундаментальные различия между источниками и их излучением. В отличие от макроисточника, способного к непрерывному излучению электромагнитного поля, микроисточник способен только к единичным практически мгновенным актам излучения отдельных квантов электромагнитного поля. Существенно то, что квант проявляет себя как автономная частица с сосредоточенной массой и импульсом

, .

Вместе с тем квант ведет себя как электромагнитная волна, частотно - волновые свойства которой определяют энергию кванта

,

где h – постоянная Планка. Таким образом, кванты электромагнитного излучения обладают двойственными свойствами или иначе корпускулярно – волновым дуализмом.

2.4.9 Квантовое электромагнитное поле

☻ Квантованное электромагнитное поле состоит из множества квантов электромагнитного излучения. В квантовой физике квантованное электромагнитное поле рассматривается как релятивистский квантовый Бозе - газ. Методами квантовой механики устанавливается формальная взаимосвязь между квантованным и классическим электромагнитным полем для теоретического перехода от одной концепции поля к другой.