Магнітне поле виникає у будь-якому середовищі, якщо в ній змінюється електричне поле

Амплітуда напруженості магнітного поля розраховується по формулі:

У ній абсолютна діелектрична проникність: ℰ_𝑎=ℰ ℰ₀, де: 𝜀- відносна діелектрична проникність середовища, а ℰ₀ - електрична постійна вакууму. У системі одиниць СІ:

.

Силові лінії магнітного поля завжди замкнуті (поле вихрове) і орієнтовані перпендикулярно е.с.л., охоплюючи їх.

Отже, будь-яке виникнення в просторі магнітного поля, що змінюється, викликає появу електричного, яке, змінюючись, у свою чергу породжує магнітне поле і так далі. Цей процес носить хвилеподібний характер і називається електромагнітною хвилею (ЕМХ).

2.2 Структура і параметри

Структура ЕМХ.

У вільному просторі, що оточує випромінюючу антену, виникають поперечні біжучі ЕМХ (типу ТЕМ). Їх структура (рис. 2.3) нагадує структуру поля БХ в двопровідній лінії. Але в даному випадку поле хвилі не пов'язане з направляючими провідниками лінії. Рівняння напруженості полів Е і Н, що утворюють біжучу ЕМХ аналогічні рівнянням БХ струму і напруги в лінії без урахування загасання.

Рис. 2.3 Структура ЕМП хвилі ТЕМ у вільному просторі

і

Хвилевий опір середовища дорівнює відношенню амплітуди до амплітуди і постійно: .

Воно активне за характером (так як енергія не повертається ГВЧ) і вимірюється в Омах. Дійсно: .

Формулу для розрахунку 𝜌 можна отримати, розділивши рівняння на

Звідки: .

У цій формулі - хвилевий опір вакууму. Вичислимо його величину:

Якщо електромагнітні властивості середовища відмінні від властивостей вакууму (µ≠1 або ℰ≠1), то відповідно змінюється 𝜌. Знаючи 𝜌, можна розрахувати напруженість поля Е, по відомій Н, або навпаки. Формула аналогічна закону Ома. Тому, як правило, задають напруженість одного з полів, зазвичай Е.

Швидкість поширення ЕМХ.

Перемноживши рівняння

на отримаємо:

.

Звідки

Остаточно:

У цій формулі – швидкість поширення ЕМХ у вакууме. Розрахуємо її величину

Це і є швидкість світла у вакуумі. Співпадіння швидкостей пояснюється тим, що світло – це різновид ЕМХ.

Вектор П, формула ідеальної радіопередачі.

Поняття про вектор щільності потоку електромагнітної потужності було виведене, стосовно довгої лінії. Для ЕМХ у вільному просторі цей вектор є єдиною енергетичною характеристикою. Користуючись цим поняттям можна вивести формулу ідеальної радіопередачі:

З неї слідує що, за ідеальних умов (у необмеженому вакуумі) напруженість поля пропорційна кореню з випромінюваної потужності і обернено пропорційна до відстані від антени передавача. Отримаємо формулу ідеальної радіопередачі для розрахунку напруженості поля хвилі на відстані r від ідеально ненапрямленої антени, що забезпечує рівномірне в усі напрями випромінювання потужності .

Рис. 2.4 До виведення формули ідеальної радіопередачі

Вектор

З іншого боку згідно з визначенням, вектор П відповідає потужності ЕМХ, що проноситься крізь норрисьний до напряму поширення майданчик в 1м². Оскільки випромінювання на всі боки рівномірне, а поверхня сфери дорівнює 4𝜋𝑟², отримаємо . Прирівнюємо два вирази для П:

.

Звідки і остаточно: .

У реальних умовах напруженість поля залежить також від спрямованості випромінювання антени і загасання хвилі в середовищі.

Уперше гіпотеза про те, що електромагнітні дії поширюються з кінцевою швидкістю була висловлена М. Фарадеем в 1832 році. Розвивав ідеї Фарадея, Д. К. Максвел розробив сувору математичну теорію електромагнітного поля, Г. Герц експериментально підтвердив правильність цієї теорії, А.С. Попов першим в 1895 році застосував ЕМХ для зв'язку.

ЕМХ - особливий вид матерії, існуючий тільки в русі. На відміну від речовини, ЕМХ не мають маси спокою, але, як довів експериментально П. Н. Лебедєв, чинять тиск.

Покажемо, що вільна ЕМХ може існувати тільки в русі. Припустимо, що початкова ЕМХ нерухома в просторі і змінюється тільки в часі. Внаслідок зміни початкових електричного і магнітного полів (Е і Н) виникають наведені поля (∆Е і ∆Н). Їх напруженості пропорційні швидкості зміни початкових полів, тобто першій похідній за часом:

и

Рис. 2.5 До пояснення руху ЕМХ

Тому, якщо початкові поля змінюються в часі за законом синуса, то наведені - згідно із законом мінус косинуса.

Зробимо тепер графічне складання початкових і наведених полів. В результаті отримаємо графік хвилі зміщеної відносно початкової хвилі на відстань .

Отже, явище електромагнітної індукції призводить до руху вільної ЕМХ в просторі.

2.3 Властивості радіохвилі

Основні поняття

Радіохвилі - це електромагнітні хвилі використовувані в радіотехніці. Довжина хвилі це шлях пройдений хвилею за один період або відстань між найближчими точками, в яких коливаннях відбуваються в однаковій фазі: 𝜆=𝑉𝑇=𝑉𝑓.

Довжини радіохвилі знаходяться в інтервалі від 0.1 мм до 100 км, що відповідає частотам від 3кГц до 3ТГц (1ТГц =10¹²Гц, ТГц - терагерц).

Промінь - це лінія співпадаюча з напрямом поширення хвилі. У однорідному середовищі промені прямі і співпадають з напрямом вектору П. В неоднорідному середовищі промені викривляються. Вектор П спрямований по дотичній до викривленого променя.

Фронт хвилі - це поверхня перпендикулярна до променів, на якій усі хвилі співпадають по фазі. У однорідному середовищі усі точки фронту хвилі рівновіддалені від випромінювання. Тому при точковому випромінюванні, фронт хвилі - сферична поверхня, при лінійному - поверхня циліндра, при плоскому - площина. На великих відаленнях від випромінювача невеликі ділянки будь-якого фронту можна вважати плоскими.

Рис. 2.6 Площина фронту

Поляризація хвилі - відповідає розташуванню в просторі вектору напруженості електричного поля радіохвилі - Е. Норрисьно або вертикально - поляризована хвиля випромінюється вертикально розташованою лінійною антеною. Можливі горизонтальна і похила поляризації. Якщо по міру руху хвилі, вектор Е обертається - поляризація кругова.

Площина поляризації проходить через напрями векторів П і Е.

Площина поширення співпадає з вектором П і перпендикулярна поверхні землі.

Заломлення радіохвилі

Швидкість поширення ЕМХ залежить від діелектричної і магнітної проникності середовища:

Для немагнітних середовищ µ=1. Тоді .

Рис. 2.7 Заломлення радіохвиль

На межі розділу двох середовищ з різними значеннями ℰ відбувається зміна швидкості хвилі, що призводить до зміни напряму, тобто заломленню похилого променя (рис. 2.7 а). Причому якщо ..

Нехай в початковий момент часу похилий фронт хвилі (рис. 2.7 б) досяг межі розділу в точці А і відповідний промінь начал поширяться в новому середовищі. За час 𝑑𝑡, необхідно для того, щоб фронт хвилі досяг межі розділу в точці В, заломлений промінь пройде шлях , а що падає - . Для того, щоб знайти положення фронту заломленої хвилі, проведемо коло радіусу 𝑟₂ з центром в точці А. З точки В проведемо дотичну до цього кола, яке і відповідатиме фронту заломленої хвилі. Як видно з порівняння прямокутних трикутників: .

Тут − кут падіння, а - кут заломлення. Але – 𝑟=𝑉 𝑑𝑡, тому .

Відзеркалення радіохвиль

Дзеркальне відзеркалення виникає при падінні променя з діелектричного середовища на поверхню ідеального провідника.

Рис. 2.8 Дзеркальне відзеркалення радіохвиль

В цьому випадку, як і в оптиці, кут падіння дорівнює куту відзеркалення:

Граничні умови.

Для подальшого необхідно з'ясувати, умови виникають в точках дзеркального відзеркалення на межі, діелектрик - ідеальний провідник.

Умова 1. Вектор Е перпендикулярний (норрисьний) до поверхні провідника. Дотична (тангенціальна) складова його рівна нулю.

Умова 2. Вектор Н паралельний поверхні провідника. Норрисьна складова рівна нулю. Н_н =0

Рис. 2.9 До пояснення граничних умов дзеркального відзеркалення

Дійсно, якщо - б не виконалася умова 1, то під дією що становить по поверхні ідеального провідника протікав - би струм нескінченно великої величини (оскільки опір відсутній), але це неможливо. Насправді, цей струм збудить магнітне поле, яке перетинаючи провідник наведе в його поверхні ЕРС самоіндукції, якій відповідає зустрічне тангенціальне поле . Якщо провідник ідеальний, то і

Якщо - б не виконувалася умова 2, то норрисьная складова навела - б в поверхні провідника ЕРС, з'явився - б струм і стався - б вищеописаний процес.

Виникнення дзеркального відзеркалення можна пояснити так. При складанні векторів Е і Е_𝑡 отримуємо вектор П ₂ співпадає з відбитим променем.

Рис. 2.10 Просторових діаграм при дзеркальному відображенні

2. Часткове відзеркалення виникає на межі розділу діелектричного середовища (чи двох середовищ, що є напівпрові), що напівпроводить. В цьому випадку частина енергії хвилі, що падає, дзеркально відбивається, а інша заломлюється. Якщо межею є земна поверхня, то заломлена хвиля не бере участь в процесі поширення, оскільки її енергія перетворюється на тепло. Тому, чим ближче за властивостями поверхня до тієї, що ідеально проводить (більше прохідність 𝜎) тим менше втрати.

Рис. 2.11 Часткове відзеркалення радіохвиль

3. Дифузне (розсіяне) відзеркалення виникає при падінні паралельних променів на нерівну поверхню. Рисые ділянки поверхні, від яких відбивається промінь, не паралельні один одному. Тому і відбиті промені не паралельні. Їх енергія розсіюється на всіх напрямках.

Серед дифузно відбитих променів є і такі, напрям променя яких протилежний променям, що падають. Саме ці промені приймаються антеною радіолокатора.

Дифузне відзеркалення виникає, якщо виконується умова нерівності поверхні:

де: h - середня висота нерівностей поверхні;

– ддовжина хвилі;

– кут підвищення променя.

Рис. 2.12 Дифузне відзеркалення радіохвиль

Чим коротше хвиля, тим більше гладка поверхня відбиває дифузно.

Дифракція і інтерференція хвилі

1. Дифракцією називається явище огинання радіохвилями перешкод на шляху їх поширення. Вона виникає коли розміри перешкоди близькі до довжини хвилі і проявляється тим сильніше, чим довше хвиля.

Рис. 2.13 Дифракція радіохвиль

2. Інтерференцією називається явище накладення одина на одну двох хвиль, що випромінюють однією антеною, але що пройшли в просторі різні шляхи.

Рис. 2.14 Інтерференція радіохвиль

На рис. 2.14 показаний випадок, коли антена приймача знаходиться в полі двох хвиль, що інтерферують. Одна з них одноразово, а інша - двократно відбилася від атмосфери (і раз від землі). Електромагнітні поля цих хвиль можуть мати довільний зсув по фазі. Тому амплітуда ЕРС в антені може змінюватися в широкому діапазоні: від максирисьной при складанні синфазних полів, до мінімальної при відніманні у протифазі. У цьому причина т.з. інтерференційних завмирань.