Электромагнитные волны
Природа излучения и распространения электромагнитных колебаний (волн) объясняется законами, установленными Максвеллом и развитыми другими исследователями..
В соответствии с этими законами при изменении магнитного поля возникает связанное с ним переменное электрическое поле, и наоборот, при изменении электрическою поля появляется связанное с ним переменное магнитное поле. Взаимодействие переменных электрического и магнитного полей образует движущуюся электромагнитную волну.
Таким образом, в результате изменения величины тока, проходящего по проводнику, в окружающем его пространстве появляются электромагнитные волны , которые распространяются во все стороны от проводника со скоростью света. Вектор напряженности электрического поля Е перпендикулярен вектору напряженности магнитного поля И (график на рис. 208 ).
Направление распространения электромагнитной волны определяется поступательным движением буравчика, если его поворачивать от Е к Н в сторону наименьшего углового расстояния, т. е. электромагнитная волна распространяется в направлении, перпендикулярном векторам электрического и магнитного полей. Поэтому электромагнитные волны называют поперечными.
Особенности распространения электромагнитных волн
Земля не является идеальным проводником. Электромагнитные волны при своем распространении проникают внутрь земли, вследствие чего в ней появляются вихревые токи, а вместе с ними и потери. Потери возрастают по мере укорочения волны.
Кроме того, для обеспечения связи на большие расстояния необходимо, чтобы электромагнитные волны обладали способностью огибать шарообразную земную поверхность.
Для характеристики особенностей распространения электромагнитных колебаний на различных диапазонах частот, следует предварительно вкратце ознакомиться с основными законами распространения радиоволн.
- В однородной среде (в среде, обладающей одинаковыми электрическими свойствами) электромагнитные волны распространяются прямолинейно; на значительном расстоянии от передающей антенны электромагнитную волну можно практически считать плоской.
- При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую на границе двух сред возникает преломление и отражение радиоволн, которое определяется по законам световой оптики.
- Электромагнитные волны в процессе распространения способны огибать встречающиеся на пути предметы.
Это явление называется дифракцией. Чем больше длина волны, тем большей дифракционной способностью она обладает. - Если волна проходит через среду с плавно меняющейся диэлектрической проницаемостью, происходит изменение направления распространения. При переходе из среды с большой диэлектрической проницаемостью в среду с малой диэлектрической проницаемостью при большом угле падения может произойти полное внутреннее отражение. Вместе с тем, например, при распространении электромагнитной волны из воды в воздух можно обеспечить условия, при которых волна по выходе из воды начнет распространяться вдоль водной поверхности.
- Приемной антенны достигают электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль земной поверхности (поверхностные волны) и электромагнитные волны, однократно или многократно отраженные от ионосферы и земли (пространственные волны).
В зависимости от фаз падающей и отраженной волн результирующее поле в точке приема может оказаться больше или меньше составляющих его волн. Поле может даже стать равным нулю, если падающая и отраженная волны равны по величине и противофазны.
Ионосфера (верхняя область атмосферы) оказывает существенное влияние на распространение электромагнитных волн. Под влиянием ультрафиолетовых излучений солнца и мельчайших материальных частиц (корпускул), которые выбрасываются солнцем, происходит ионизация нейтральных атомов атмосферы. Интенсивность ионизирующих факторов и плотность воздуха верхней части атмосферы в пределах 100—400 км от поверхности земли различны. Поэтому ионосферу условно разделили на слои: слой Д — на высоте 70—80 км; слой Е — на высоте 100— 120 км; слой F 1 — на высоте 220—250 км и слой F 2 — на высоте 400 км. Наибольшая концентрация свободных электронов имеет место в части ионосферы, находящейся на высоте около 350 км от поверхности земли (слой F 2 ).
Концентрация свободных электронов в слое Е и в слоях, расположенных выше слоя F 2 , незначительны. В первом случае это объясняется малой интенсивностью солнечных лучей, которые теряют свою энергию при прохождении через верхние слои ионосферы; во втором — малой плотностью воздуха, несмотря на значительную интенсивность энергии солнечных лучей. В слоях ионосферы одновременно с ионизацией происходит обратный процесс — деионизация.
Теперь рассмотрим, как распространяются радиоволны различной длины. В зависимости от особенностей распространения радиоволны делятся на длинные (от 3000 до 30 000 м), средние (от 200 до 3000 м), короткие (от 10 до 200 м) и ультракороткие (от 1 мм до 10 м). Ультракороткие волны (УКВ) подразделяются на метровые волны (от 1 до 10 дцм) дециметровые (от 1 до 10 дцм), сантиметровые волны (от 1 до 10 см) и миллиметровые волны (от 1 до 10 мм).
Длинные волны за счет дифракции распространяются поверхностным лучом на расстояние до 3000— 4000 км. На большие расстояния длинные волны распространяются пространственным лучом, многократно отражаясь от слоя Е и от земли. Слой Е имеет электронную ионизацию, постоянную и достаточную, чтобы обеспечить отражение пространственного луча с малыми потерями. Правда, в дневные часы наблюдается ионизация слоев, лежащих ниже слоя Е, в которых при отражении происходит дополнительное поглощение энергии пространственного луча. Поэтому интенсивность приема на длинных волнах в дневное время падает.
Электромагнитные волны средневолнового диапазона распространяются как поверхностным, так и пространственным лучами. Электронная концентрация слоя Е недостаточна для отражения пространственного луча. Он отражается от слоя F 1 или даже F 2 дважды теряя свою энергию при прохождении слоя Е, и возвращается на землю значительно ослабленным. Потери в слое Е особенно велики в дневное время, кокда электронная концентрация этого слоя сравнительно высока.
Поверхностный и пространственный лучи до точки приема проходят разные пути, а следовательно, они имеют в общем случае и разные фазы. В ночное время, вследствие уменьшения затухания в слое Е и флуктационных изменений внутри этого слоя, уровень приема на средних волнах все время меняется. На более высоких частотах средневолнового диапазона может иметь место явление замирания — фидинг, который, если не применять специальных мер, приводит к полному нарушению связи.
Короткие волны сильно поглощаются землей и поэтому поверхностным лучом распространяются на расстояние, не превышающее примерно 100 км. Поэтому связь на коротких волнах осуществляется за счет пространственного луча (отражение происходит от слоя F 2 , а поглощение — в слое Е). Поглощение обратно пропорционально частоте, ввиду этого потери энергии коротких волн при прохождении слоя Е значительно меньше, чем у электромагнитных волн средневолнового диапазона. Связь на коротких волнах в дневное время обеспечивают на более высоких несущих частотах, чем в ночные часы. Это объясняется тем, что днем электронная концентрация слоя F 2 велика и максимальная частота, которая способна отражаться от этого слоя, возрастает, связь становится более устойчивой.
Еще заметнее, чем на средних волнах, в диапазоне коротких волн проявляются замирания, так как в точку приема поступают электромагнитные волны с различными, в том числе и противоположными фазами в результате одно кратного и многократного отражений от земли и ионосферы.
На коротких волнах наблюдается также явление эхо, которое заключается в том, что точки приема достигают электромагнитные волны, прошедшие в ионосфере различные пути. В результате принимаемый сигнал может «растягиваться», постепенно затухая в течение нескольких десятых долей секунды.
Диапазону коротких волн свойственна зона молчания (мертвая зона), где прием отсутствует, так как в эту зону, отстоящую от передатчика на расстояние 100—200 км, поверхностный луч уже не доходит (из-за поглощения в земле), а пространственный луч еще не попадает.
В диапазоне коротких волн могут происходить нарушения связи во время магнитных бурь, которые вызываются излучаемыми солнцем частицами, изменяющими электронную концентрацию ионосферы.
Ультракороткие волны (УКВ) распространяются, в основном, в пределах прямой видимости. Расстояние прямой видимости можно определить по формуле
S (км) = 3,6(√h А1 + √h А2 ) (401)
где h А1 и h А2 — высота передающей и приемной антенн в метрах. УКВ отражаются от земли и от окружающих предметов, поэтому точки приема могут достигать два луча: прямой и отраженный, с различными фазами.
В зависимости от состояния нижних слоев атмосферы (тропосферы) —от температуры, влажности, давления — на распространении УКВ сказывается рефракция (отклонение от прямолинейного распространения), в результате чего увеличивается дальность прямой связи. С учетом рефракции в формуле (401) коэффициент 3,6 повышают до 4—4,5.
Иногда в тропосфере образуются слои с такими коэффициентами преломления, которые обусловливают особенно благоприятные условия распространения УКВ («волновой канал»), тогда связь на УКВ может осуществляться на сверхдальние расстояния.
Основы радиолокации
Распространение электромагнитных волн между передающей и приемной антеннами представляет собой очень сложное явление. Различают три типа распространения электромагнитных волн в земной атмосфере:
Земная (поверхностная) волна
Земные волны распространяются вблизи земной поверхности. Земная волна является предпочтительным типом распространения для радиосвязи на большие расстояния с использованием частот ниже 3 МГц (земля ведет себя как проводник для частот ниже 5 МГц). Земная волна также используется для радиосвязи на коротких расстояниях с использованием частот от 3 до 30 МГц.
Из-за того, что земля не обладает бесконечной электрической проводимостью, земная волна при распространении над поверхностью испытывает потери энергии, что влияет на дальность распространения волны. Чем ниже проводимость поверхности, над которой распространяется волна, тем меньше дальность ее распространения. По этой причине дальность распространения земной волны над морской поверхностью больше, чем над поверхностью земли (проводимость морской воды выше, чем проводимость земли).
Следует отметить, что в диапазоне частот радиолокационных устройств земная волна не возникает.
Ионосферная волна
Ионосферная радиоволна – это волна, которая при распространении однократно или многократно отражается от ионосферы. Благодаря этому радиоволны могут распространяться на значительные расстояния и даже огибать земной шар. Различают два механизма возникновения ионосферных волн: рефракция в тропосфере и отражение от ионосферы.
Рефракция в тропосфере
Тропосфера, самый нижний слой атмосферы Земли, простирается от поверхности Земли до высоты чуть более 11 км. Практически все погодные явления происходят в этом слое. Как правило, тропосфера характеризуется устойчивым снижением как температуры, так и давления воздуха по мере увеличения высоты. Однако многочисленные изменения погодных явлений вызывают колебания влажности и неравномерный нагрев земной поверхности. В результате воздух в тропосфере находится в постоянном движении. Это движение вызывает образование небольших турбулентностей или завихрений, проявляющихся в скачкообразных изменениях траекторий самолетов, входящих в турбулентные области атмосферы. Эти турбулентности наиболее интенсивны у поверхности Земли и постепенно уменьшаются с высотой. В областях турбулентности радиоволны с короткими длинами волн преломляются или рассеиваются. В случаях, когда распространение радиоволны происходит под небольшими углами, траектория волны может изменяться вплоть до направления обратно к земле. Такое рассеяние обеспечивает улучшенную связь на более высоких частотах.
Отражение от ионосферы
Для радиоволн на частотах от 3 МГц до 30 МГц («коротковолновые») ионосфера действует как отражатель. Более высокие частоты проникают в ионосферу, более низкие настолько гасятся слоями D и E, что лишь изредка (в основном ночью) отражаются.
Поскольку переходы между отдельными слоями плавные, принцип зеркального отражения применим только в ограниченной степени. Кроме того, слои находятся в движении и колеблются по интенсивности, поэтому условия отражения постоянно меняются. Поскольку ионосферная волна также отражается землей, многократные отражения приводят к тому, что такие коротковолновые излучения распространяются на очень большие расстояния. Однако такие частоты, как правило, не используются в радиолокации, за исключением радиолокаторов особого типа, называемых загоризонтными (OTH-B).
Прямая волна
На частотах выше 100 МГц обычно электромагнитные волны не отражаются от ионосферы, а продолжают распространяться в начальном направлении. Такие волны называются прямыми волнами. Для большинства задач радиолокации характерен именно этот тип распространения электромагнитных волн. Поскольку в данном случае волны распространяются приблизительно прямолинейно и, таким образом, ведут себя подобно световым лучам, их называют квазиоптическими волнами. Электромагнитная волна, излученная передающей антенной, достигнет приемной антенны только в случае прямой видимости между этими антеннами. По этой причине, а также из-за кривизны земной поверхности возможная дальность действия радиотехнической системы зависит от высот антенн передатчика и приемника. Теоретически эта дальность ограничена так называемой радиовидимостью (радиогоризонтом).
Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)
Referat. Электромагнитное поле
В пространстве, где изменяется магнитное поле, всегда появляется вихревое электрическое поле (индуцированное электрическое поле). При этом замкнутый контур позволяет только его обнаружить, поскольку поле существует независимо от наличия этого замкнутого контура. Линии напряженности вихревого электрического поля всегда замкнуты и их направление связано с изменением наводящего (индуцирующего) магнитного поля правилом Ленца (правилом правого винта, но учтите, что индукционное поле препятствует причине его вызывающей) (рис. 1а), т.е. это поле носит вихревой, не потенциальный характер, подобно магнитному. Максвелл в связи с этим обстоятельством высказал мысль о возможной равноправности полей: при изменении магнитного поля возникает поле электрическое (рис. 1а) и наоборот, при изменении электрического должно возникать магнитное поле (рис. 1б).
Максвелл теоретически доказал свое предположение, создав теорию электромагнитного поля на основе двух постулатов:
- Переменное магнитное поле создает в окружающем его пространстве вихревое электрическое поле.
- Переменное электрическое поле создает в окружающем его пространстве вихревое магнитное поле (которое связано с переменным электрическим так же правилом правого винта). При этом, чем больше скорость изменения напряженности электрического поля, тем более сильное возникает магнитное поле, связанное с электрическим. Точно также, чем больше скорость изменения индукции магнитного поля, тем более сильное возникает электрическое поле.
Таким образом, электрическое и магнитное поля «сцеплены» друг с другом, существуют одновременно, взаимно порождают и поддерживают друг друга. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло переменное электрическое поле. Не менее важно то обстоятельство, что электрическое поле без магнитного, и наоборот, могут существовать лишь по отношению к определенным системам отсчета. Так, покоящийся заряд создает только электрическое поле. Но ведь заряд покоится лишь относительно определенной системы отсчета, а относительно другой он будет двигаться и, следовательно, создавать магнитное поле.
Совокупность неразрывно связанных друг с другом изменяющихся электрического и магнитного полей представляет собой электромагнитное поле.
Электромагнитные волны
Согласно гипотезе Максвелла однажды начавшийся в некоторой точке процесс изменения электромагнитного поля будет далее непрерывно захватывать все новые и новые области окружающего пространства.
Распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся электромагнитное поле и представляет собой электромагнитную волну.
Распространение электромагнитной волны связано с наведением элекромагнитного поля в последующих точках и уничтожением в предыдущих (пройденных) точках пространства (рис. 2).
Свойства электромагнитных волн
- Из сказанного следует, что если в какой-либо малой области пространства периодически изменять электрическое и магнитное поля, то эти изменения должны периодически повторяться и во всех других точках пространства, причем в каждой последующей несколько позже, чем в предыдущей, т.е. от источника электромагнитных колебаний должны во все стороны распространяться электромагнитные волны с определенной скоростью. Вывод о конечности скорости распространения электромагнитных волн — очень важное следствие из теории Максвелла. Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения электромагнитного поля в вакууме равна скорости света с ≈ 3·10 8 м/с, а в среде эта скорость меньше и зависит от свойств среды: \(
\vec E\) и индукции магнитного поля \(
\vec B\) в каждой точке пространства. Электромагнитная волна — поперечная волна, так как \(
\vec E \perp \vec \upsilon\) и \(
\vec B\) в каждой точке электромагнитной волны происходят в одинаковы фазах и по двум взаимноперпендикулярным направлениям \(
\vec B\) образуют с вектором скорости распространения \(
\vec \upsilon\) правовинтовую систему (рис 3): если головку винта расположить в плоскости векторов \(
\vec B\), и поворачивать ее в направлении от \(
\vec B\) по кратчайшему пути, то поступательное движение винта укажет направление вектора \(
\vec \upsilon\) в момент времени t. С течением времени вся картина сместится вправо со скоростью \(
\lambda = \upsilon \cdot T ; \lambda = \frac<\upsilon><\nu>\) . В вакууме \(
а и В
a = — \omega^2 q\) — ускорение колебания заряда в источнике, то энергия, переносимая волной, а значит и интенсивность волны пропорциональна четвертой степени частоты (см. пункт 6), т.е. \(
Распространение электромагнитных волн
Движения зарядов с ускорением, например, движение по окружности или колебания, порождают в пространстве распространение электромагнитных волн. Рассмотрим особенности этого процесса.
Влияние среды на электромагнитную волну
Электромагнитная волна представляет собой структуру вихревых электрического и магнитного полей, взаимно порождающих друг друга. В вакууме такая структура распространяется от заряда, движущегося с ускорением во всех направлениях с постоянной скоростью, называемой скоростью света, равной $3×10^8$ м/с.
Однако, если заряд движется в некоторой среде, то эта среда оказывает на процесс распространения электромагнитной волны очень заметное влияние.
Любая среда в какой-то степени поглощает энергию электромагнитной волны, и амплитуда вектора ее напряженности падает. Наблюдать такое поглощение можно, вспомнив, что свет также является электромагнитной волной, и существуют прозрачные и непрозрачные для света вещества. Другие электромагнитные излучения в различных средах также поглощаются по-разному.
Возможность получения рентгеновских снимков обусловлена тем, что различные ткани по-разному поглощают рентгеновские лучи. Там, где лучи, пройдя через биологическую ткань, не ослабли – воздействие на чувствительный слой экрана будет сильнее, чем там, где лучи были сильно поглощены.
Рис. 1. Примеры рентгеновских снимков.
Скорость распространения электромагнитной волны в среде меньше, чем в вакууме, и это приводит к частичному отражению волны на границе сред, и преломлению ее при переходе из одной среды в другую. Тут опять можно обратиться к свету – блики на поверхности воды – это пример отражения света, а «сломанная» ложка в стакане с водой – пример преломления.
Рис. 2. Пример преломления ложка в стакане.
Влияние длины волны на процесс распространения
Коэффициент поглощения и преломления электромагнитной волны в среде достаточно сильно зависит от ее частоты (и длины).
Низкочастотные (сверхдлинные) волны
Электромагнитные волны c частотой $10^4$ Гц и менее способны достаточно далеко распространяться в диэлектрических средах (в толще воды или земли). При этом, за счет большой длины волны (десятки километров) они также могут достаточно хорошо огибать препятствия и кривизну Земли.
Радиоволны
По мере увеличения частоты, радиоволны теряют способность к огибанию препятствий, а также все сильнее поглощаются диэлектрическими средами. Однако, при этом они начинают хорошо отражаться от верхних слоев атмосферы. Это обуславливает возможность радиосвязи на больших расстояниях, иногда между точками на противоположных сторонах Земли.
Однако, для волн частотами свыше $10^8$ Гц верхние слои атмосферы становятся прозрачными, а диэлектрические препятствия начинают отражать волны таких высоких частот.
Световой диапазон
Начиная с частот $10^<11>$ Гц электромагнитные волны ведут себя подобно свету. Условно световой диапазон разбит на инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую область. Характер распространения таких волн приблизительно одинаков – они очень плохо проникают сквозь большинство диэлектриков, но атмосфера для них почти прозрачна.
Рентгеновский и Гамма диапазон
Волны частотой, начиная с $10^<18>$ Гц начинают все лучше проникать сквозь различные, и даже проводящие среды, за счет того, что длина волны становится сравнима с размерами атомов, а для гамма-диапазона даже сравнима с размерами ядер. Кроме того, малая длина волны обуславливает слабое отражение волн этого диапазона от границ различных сред.
Рис. 3. Таблица шкалы электромагнитных волн.
Что мы узнали?
В вакууме электромагнитная волна свободно распространяется во все стороны от заряда, движущегося с ускорением. Любая среда в какой-то степени поглощает энергию, и амплитуда волны по мере распространения падает. Кроме того, скорость распространения в среде меньше, чем в вакууме, это приводит к частичному отражению волны на границе сред и к преломлению ее при переходе из одной среды в другую.