24.2. Вектор Умова - Пойнтінга

При поширенні електромагнітних віл відбувається перенос енергії. Кількісною характеристикою такого переносу служить вектор густини потоку енергії, що стосовно до електромагнітних хвиль називається вектором Умова-Пойнтінга.

В електромагнітній хвилі необхідно враховувати енергію електричних і магнітних полів, тому густина енергії хвилі

.

(24.14)

Середні значення енергії електричного й магнітного полів рівні:

.

Звідси

.

(24.15)

З врахуванням (24.15) вираз для густини енергії електромагнітної хвилі (24.14) можна перетворити до вигляду

;

.

(24.16)

Підставивши (24.16) у вираз для густини потоку енергії (22.9), дістанемо

.

(24.17)

З врахуванням (24.11) вираз (24.17) можна записати у вигляді

або у векторній формі

.

(24.18)

Останній вираз і являє собою вектор Умова-Пойнтінга.

24.3. Особливості поширення електромагнітних хвиль

Теоретичне передбачення Максвелла (1861 р.) про існування електромагнітних хвиль було експериментально підтверджене Г. Герцом в 1895 р. Тепер електромагнітні хвилі набули широке практичне застосування для передачі інформації (радіомовлення, телебачення тощо).

Розглянемо коротко загальні принципи передачі інформації за допомогою електромагнітних хвиль і деякі особливості, що виникають при поширенні електромагнітних хвиль різного діапазону.

Для передачі інформації за допомогою електромагнітної хвилі необхідно змінювати по деякому, заздалегідь погодженому закону її параметри (амплітуду, частоту або початкову фазу), тобто модулювати ці параметри, причому частота модуляції  повинна бути значно меншою за частоту основної (несучої) хвилі. Відповідно до цього розрізняють 1) амплітудну модуляцію, коли значення амплітуди змінюється з часом за законом E=E₀(1+mcost), де називається глибиною модуляції; 2) частотну модуляцію: =₀(1+mcost); 3) фазову модуляцію =₀(1+mcost). Кожний з видів модуляції має певні переваги й відповідно область використання, однак розглядати це в даному посібнику не будемо.

В техніці зв'язку використовуються електромагнітні хвилі, довжина хвилі яких лежить у діапазоні 10⁴-10^-2 м. Цей діапазон звичайно розбивається на ряд більш вузьких інтервалів, кожний з яких завдяки особливостям поширення електромагнітних хвиль із різною довжиною хвилі в земних умовах має свою область застосування.

Довгі електромагнітні хвилі (=10⁴...10³ м) поширюються в межах всієї поверхні Землі, огинаючи її внаслідок дифракції, і придатні для далекого радіозв'язку. Однак довгі хвилі вимагають значної потужності у випромінювачах (~10²...10³ квт), що є їхнім недоліком.

Приблизно такими ж самі характеристики мають і електромагнітні хвилі середньохвильового діапазону (103... 10² м), однак їх далекий прийом не завжди надійний.

Короткі хвилі (=10²...10¹ м) не можуть огинати земну поверхню й поширюються за рахунок відбиття від верхніх, іонізованих шарів атмосфери (іоносфери) — рис. 24.2. Короткі хвилі дозволяють здійснювати далекий радіозв'язок при малих потужностях випромінювача (~1...10 Вт), однак умови відбиття від іоносфери не є стабільними й тому такий зв'язок менш надійний.

Рис. 24.2

Ультракороткі хвилі (=10¹...10⁰ м) поширюються подібно світловим хвилям на дистанцію прямої видимості й застосовуються для оперативного радіозв'язку на малих відстанях. Однак висока частота ультразвукових хвиль дозволяє передавати з їхньою допомогою значні обсяги інформації, що використовується в телебаченні.

Для дециметрових хвиль (=10⁰...10^-1 м) іоносфера прозора, що дозволяє використовувати їх для космічного й супутникового зв'язку.

Сантиметрові хвилі використовуються в радіолокації.