Проектирование и строительство домов

1. Волны вдоль проводов . Любой участок двухпроводной линии обладает некоторой ёмкостью и индуктивностью. Поэтому любой участок такой линии обладает свойствами колебательного контура, а вся линия в целом может рассматриваться как система связанных колебательных контуров (рис.161).

Системы, подобные двухпроводной линии, называются распределёнными .

Пусть в какой-то точке бесконечной двухпроводной линии действует переменная гармоническая ЭДС. В результате по линии протекает переменный ток. Если скорость изменения ЭДС достаточно велика, то токи проводимости в проводах будут замыкаться токами смещения между ними (рис.162).

Но согласно первому уравнению Максвелла (Ф.19.3) эти токи смещения, то есть изменяющееся эл. поле E , вызывают появление магнитного поля B . Так как электрическое поле распространяется в проводнике с некоторой скоростью, то в рамках грубой наглядности можно сказать, что увеличивающаяся ЭДС на зажимах a и b вызывает появление первого токового кольца 1, а это токовое кольцо, согласно второму уравнению Максвелла (Ф.19.4) создаёт магнитное кольцо А . Это магнитное кольцо А создаёт, в свою очередь, новое вихревое кольцо электрического поля 2, а то – новое магнитное кольцо Б , и так далее. Каждый раз при создании нового кольца происходит уничтожение предыдущего. В результате вдоль проводов бежит импульс электромагнитной волны, несущий информацию о величине и направлении той ЭДС, которая была на зажимах а – b в момент начала движения импульса.

Изменение электрического и магнитного полей в каждой точке пространства в любой момент времени совпадают по фазе между собой. Векторы E и B нормальны друг к другу и изменяются по гармоническому закону (рис.163).

, (22.1)

. (22.1)

Здесь v – фазовая скорость волны. Векторы E , B и v образуют правовращательную тройку векторов.

При малых частотах ω перенос электрического поля происходит, в основном, с помощью токов проводимости по проводам. Если же ω велика, то роль токов проводимости снижается, а перенос электрического поля происходит за счёт токов смещения. Электрические явления в этом случае в значительной степени определяются электромагнитными волнами.

При достаточно больших ω провода можно вообще убрать, электрическое поле будет распространяться в диэлектрической среде в виде электромагнитных волн.

2. Скин – эффект . (skin по англ. – кожа). Состоит в том, что быстропеременные токи текут по поверхности проводника, быстро уменьшаясь с глубиной.

Если по проводнику течёт постоянный ток, то его плотность во всех точках сечения проводника примерно одинакова.

На каждый заряд действует сила Лоренца, стремящаяся сместить его к центру провода (рис.164). При обычных токах в металлических проводниках эта сила невелика и не оказывает заметного влияния на плотность тока. И лишь при сильных разрядах в плазме эта сила приводит к сжатию плазменного шнура (пинч-эффект ).

Если ток в проводе переменный, то он генерирует переменное магнитное поле, а оно, в свою очередь, генерирует переменное вихревое электрическое поле. Рассмотрим механизм скин-эффекта при нарастании и убывании тока.

а . Ток нарастает . Нарастающая индукция магнитного поля B вызывает появление вихревого электрического поля E , которое у поверхности проводника направлено по току, а на оси проводника – противоположно току. В результате у поверхности ток усиливается, а центре – ослабляется (рис.165).

б . Ток убывает . В этом случае ослабевающая индукция B вызывает электрическое поле E , направленное противоположно первому случаю, то есть на оси – по току, а на поверхности – против тока (рис.166).

В обоих случаях вихревое эл. поле на оси проводника препятствует, а на поверхности – способствует изменениям тока. Поэтому на оси проводника переменный ток слабее, на поверхности – сильнее.

Амплитуды векторов E и B затухают с глубиной по экспоненциальному закону:

E = E 0 exp (-αx ), В = В 0 exp (-αx ). (22.3)

Здесь E 0 и В 0 – амплитудные векторы на поверхности проводника, x – глубина, отсчитываемая с поверхности, α – коэффициент затухания, , где ν – частота тока, g – удельная электропроводность проводника.

Чем больше частота тока ν , магнитная проницаемость проводника μ и его электропроводность g , тем больше затухание. С увеличением частоты ν толщина поверхностного слоя, по которому проходит ток, уменьшается. В результате сопротивление проводника возрастает. Поэтому с ростом ν роль токов проводимости уменьшается, а токов смещения – увеличивается.

Величина, обратная коэффициенту затухания, 1çα = δ есть глубина уменьшения амплитуды в е раз. При ν = 50 Гц для меди δ = 0,74 мм. Отсюда понятно, что линии многоканальной связи, работающей на ТВЧ, могут использовать не дешёвые стальные провода, а дорогие медные. Увеличение числа каналов линии связи требует увеличения частоты тока, а это приводит к недопустимо большому затуханию и в медных проводах. Практический путь к повышению пропускной способности линий связи состоит в замене металлических проводов оптическими световодами, позволяющими использовать для передачи информации электромагнитные волны сверхвысокой частоты.

3. Стоячие волны . Если проводящая линия ограничена в пространстве, то на её концах происходит отражение электромагнитных волн. При сложении отражённых и прямых волн возникают стоячие электромагнитные волны, в которых изменение величин Е и В уже не совпадает по фазе, поскольку при отражении одна из величин Е или В – обязательно меняет знак. В стоячей электромагнитной волне узлы электрического поля совпадают с пучностями магнитного поля, и наоборот (рис.167).

Условие существования стоячих волн: , (22.4)

где l – длина линии, λ – длина электромагнитной волны, k = 1,2,3,… - натуральное число.

Если измерить λ , то, зная частоту генератора ν , из условия υ = λν можно найти экспериментально скорость распространения электромагнитных волн.

4. Опыты Герца . В 1888-89 годах Генрих Герц выполнил серию экспериментов, в которых убедительно доказал справедливость электромагнитной теории Максвелла. Генератор электромагнитных колебаний был искровой колебательный контур.

Опыты Герца по созданию электромагнитных колебаний с помощью вибраторов и по приёму этих колебаний на расстоянии в пределах лабораторной комнаты с помощью резонаторов показали, что от вибратора распространяется ЭМ-волна, способная отражаться от металлической поверхности и возбуждающая в приёмной антенне–резонаторе – токи той же частоты, что и колебания в вибраторе (рис.168).

Герц показал, что электромагнитная волна поляризуется и интерферирует, а проходя через границы раздела разных диэлектрических сред преломляется в соответствии с законами оптики.

Все открытые явления полностью укладывались в рамки теории Максвелла и тем самым подтвердили её.

5. Скорость распространения электромагнитных волн находится из системы уравнений Максвелла. Впервые эту работу выполнил Максвелл, получивший для скорости v ЭМ-волны выражение: . Закон Максвелла (22.5)

Здесь - скорость света (ЭМ-волны) в вакууме.

Поскольку ε > 1, а μ даже для наиболее сильных диамагнетиков очень мало отличается от единицы, то в целом произведение ε μ > 1. Это значит, что скорость распространения ЭМ-волн в веществе всегда меньше скорости в вакууме v < c и зависит практически лишь от диэлектрических свойств среды.

Величину называют показателем преломления среды . В оптике закон Максвелла обычно записывают в виде: . У всех сред n > 1, в вакууме n = 1. (22.6)

Электромагнитные волны представляют собой полевую форму материи, так называемое поле излучения. Поле излучения в отличие от других форм материи не может находиться в состоянии покоя. Оно всегда движения, причём скорость его в пустоте не зависит от выбора системы отсчёта и может принимать лишь одно значение c » 3·10 8 м/с.

6. Дисперсия волн . Материальные параметры ε и μ являются константами лишь в случае статических полей или в случае, когда поле изменяется очень медленно. Если же поле изменяется быстро, так что время его изменения сравнимо с временем релаксации τ электрического молекулярного диполя (или элементарного магнитного диполя), то параметры ε и μ сложным образом зависит от частоты колебаний поля ν . В результате и скорость распространения электромагнитных волн в веществе зависит от частоты n .

Явление зависимости скорости распространения волны от частоты (или длины волны), называется дисперсией .

Если источник излучает электромагнитные волны разных частот, то эти волны распространяются в веществе с разными скоростями. При прохождении границы раздела сред с разными ε (величина μ практически не влияет), электромагнитные волны в зависимости от скорости v , а, следовательно, в зависимости от частоты ν преломляются на разные углы. В результате плоско-параллельный пучок, состоящий из смеси волн разных частот, диспергирует, то есть расщепляется в веер лучей (рис.169).

Наиболее заметно дисперсия проявляется в электромагнитных волнах высоких частот, включая диапазон частот видимого света. Поэтому законы взаимодействия электромагнитных волн с веществом изучаются, как правило, в оптике. Скорость распространения волн в радиодиапазоне может быть установлена экспериментально путём измерения расстояний между узлами или пучностями стоячих волн известной частоты на вибраторах.

7. Перенос энергии и импульса в ЭМ-волне . Электромагнитные волны, как и любой волновой процесс, переносят в пространстве энергию.

В случае упругих волн эта энергия слагается из потенциальной энергии деформации среды и кинетической энергии движения её частиц. Энергия же электромагнитных волн слагается в любой момент времени из энергии взаимосвязанных электрического и магнитного полей.

Энергия, переносимая электромагнитными волнами, как и в механике, определяется вектором плотности потока энергии S , то есть количеством энергии, которое переносится волновым процессом через единичную площадку σ , ориентированную перпендикулярно вектору скорости движения волнового фронта v в данный момент времени (рис.170), . (22.7)

Здесь w 0 – плотность энергии ЭМ-поля. Так как

, то . (22.8)

Вектор S можно представить через характеристики ЭМ-поля E и B . Как и в колебательном контуре средние энергии электрического и магнитного полей в ЭМ-волне одинаковы. Но поскольку оба поля Е и В изменяются в одной фазе, то одинаковы и мгновенные значения плотности энергии, то есть εε 0 E 2 = B 2 çμμ 0 . Если с учётом этого обстоятельства преобразовать выражение (22.8) (см., например, , §240, с.529), то для вектора S получается выражение: . Вектор Пойнтинга 1883, (22.9)

Электромагнитное поле обладает не только энергией, но массой и импульсом. Из формулы Эйнштейна W = mc 2 = w 0 V , где V – объём, получаем пространственную плотность распределения массы поля: Þ . (22.10)

Импульс единичного объёма электромагнитной волны есть . (22.11)

8. Поток энергии ЭМ-поля в проводнике . Найдём поток электромагнитной энергии, втекающий в единичный объём длинного цилиндрического провода, по которому протекает электрический ток i .

Вектор Пойнтинга на поверхности цилиндрического провода направлен по радиусу (рис.171). Поэтому его поток через основание цилиндра равен нулю, а через боковую поверхность есть . (22.10)

Из закона Ома j = gE Þ E = jçg , где j – плотность тока в проводнике, g – удельная электропроводность проводника. Индукция магнитного поля на поверхности длинного цилиндрического провода есть (формула 13.8) (22.11)

Ток, текущий по проводу, I = j ×pR 2 . Объём провода V = pR 2 l . Отсюда

Поток энергии в единичный объём проводника (22.13)

оказался в точности равен тепловой энергии, выделяющейся в единичном объёме проводника в соответствии с законом Джоуля-Ленца.

Итак, энергия,идущая на нагрев проводника, поступает в него через боковую поверхность в виде энергии электромагнитного поля из окружающего проводник пространства , а не вдоль оси провода, как это кажется на первый взгляд. В это пространство она поступает из тех участков цепи, где действует ЭДС источников тока.

9. Излучение элементарного диполя . Заряд, движущийся в проводнике с постоянной скоростью, создаёт постоянное магнитное поле B . Это поле имеет постоянное во времени значение во всех точках пространства. Вдоль прямой, по которой движется заряд, магнитное поле равно нулю. (См. магнитное поле элемента тока, §12, п.6).

Для того, чтобы заряд излучал, он должен двигаться ускоренно . Это ускоренное движение можно реализовать с помощью элементарного диполя . В отличие от рассмотренного в п.3 макродиполя, длина которого l соизмерима с длиной волны l и связана с ней соотношением l = kl / 2, где k = 1,2,3,…, длина элементарного диоля много меньше длины излучаемой им волны, l << l .

Примером элементарного диполя являются два металлических шара, заряжаемые от какого-либо генератора электрических колебаний (рис.172). Если генератор создаёт гармоническую ЭДС, то заряд на шарах изменяется также по гармоническому закону, q = q 0 sinwt , (22.14)

и между шарами протекает переменный ток

. (22.15)

Этот переменный ток представляет собой ускоренное движение зарядов вдоль оси ОY , поэтому в пространстве вокруг оси OY излучается электромагнитная волна.

Если расстояние r от диполя много больше длины l , то волновые поверхности приобретают форму сферы, сечение которой вдоль оси диполя показано на рис.173. Замкнутые кривые здесь представляют собой силовые линии вихревого электрического поля Е . Расстояние между соответственными точками таких замкнутых фигур вдоль по радиусу равно l /2.

Важнейшим примером элементарных диполей являются электроны внутри атомов. Круговое движение электронов можно разложить на два взаимно перпендикулярные линейные гармонические колебания, каждый из которых представляет элементарный диполь.

Глава 5. Электрические явления в атмосфере

Любая волна представляет собой колебание. Колебаться может жидкость, электромагнитное поле или любая другая среда. В повседневной жизни каждый человек ежедневно сталкивается с тем или иным проявлением колебаний. Но что такое стоячая волна?

Представьте себе вместительную емкость, в которую налита вода - это может быть тазик, ведро или ванна. Если теперь по жидкости похлопать ладонью, то от центра соударения во все стороны побегут волнообразные гребни. Кстати, они так и называются - бегущие волны. Их характерный признак - перенос энергии. Однако, изменяя частоту хлопков, можно добиться практически полного видимого их исчезновения. Возникает впечатление, что масса воды становится желеобразной, а движение происходит только вниз и вверх. Стоячая волна - это и есть данное смещение. Данное явление возникает потому, что каждая ушедшая от центра удара волна достигает стенок емкости и отражается обратно, где пересекается (интерферирует) с основными волнами, идущими в противоположном направлении. Стоячая волна появляется лишь в том случае, если отраженные и прямые совпадают по фазе, но различны по амплитуде. В противном случае вышеуказанной интерференции не происходит, так как одно из свойств волновых возмущений с разными характеристиками - это способность сосуществовать в одном и том же объеме пространства, не искажая друг друга. Можно утверждать, что стоячая волна является суммой двух встречно направленных бегущих, что приводит к падению их скоростей до нуля.

Почему же в приведенном примере вода продолжает колебаться в вертикальном направлении? Очень просто! При наложении волн с одинаковыми параметрами в определенные моменты времени колебания достигают своего максимального значения, называемые пучностями, а в другие полностью гасятся (узлы). Изменяя частоту хлопков, можно как полностью погасить горизонтальные волны, так и усилить вертикальные смещения.

Стоячие волны представляют интерес не только для практиков, но и для теоретиков. В частности, одна из моделей гласит, что любая материальная частица характеризуется какой-то определенной (вибрацией): электрон колеблется (дрожит), нейтрино колеблется и т.д. Далее, в рамках гипотезы, предположили, что упомянутая вибрация - следствие интерференции каких-то, пока еще не открытых возмущений среды. Другими словами, авторы утверждают, что там, где те удивительные волны формируют стоячую, возникает материя.

Не менее интересно явление Резонанса Шумана. Оно заключается в том, что при некоторых условиях (ни одна из предложенных гипотез пока не принята за единственно верную) в пространстве между земной поверхностью и нижней границей ионосферы возникают стоячие электромагнитные волны, частоты которых лежат в низком и сверхнизком диапазонах (от 7 до 32 герц). Если образовавшаяся в промежутке «поверхность - ионосфера» волна обогнет планету и попадет в резонанс (совпадение фаз), то сможет существовать продолжительное время без затухания, самоподдерживаясь. Резонанс Шумана представляет особый интерес потому, что частота волн практически совпадает с естественными альфа-ритмами человеческого мозга. К примеру, исследованиями данного явления в России занимаются не только физики, но и такая крупная организация, как «Институт мозга человека».

На стоячие обратил внимание еще гениальный изобретатель Никола Тесла. Считается, что он мог использовать это явлене в некоторых своих устройствах. Одним из источников их появления в атмосфере принято считать грозы. Электрические разряды возбуждают электромагнитное поле и генерируют волны.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 30

ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЯЧИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ

1. Введение

Двухпроводная линия, или система Лехера, состоит из двух длинных параллельных проводов, натянутых на некотором расстоянии друг от друга. В дальнейшем будем пренебрегать сопротивлением проводов, а также будем считать, что расстояние между проводами значительно меньше, а длина проводов значительно больше длины электромагнитной волны. При этих условиях электромагнитное поле сосредоточено, в основном, между проводами, поэтому система Лехера практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство, выполняя роль канала для передачи высокочастотной энергии от генератора к приемнику.

Рассмотрим механизм переноса энергии вдоль полубесконечиой двухпроводной линии, индуктивно связанной с генератором высокочастотных, колебаний (рис. 1),

В витке b будут наводиться вынужденные электромагнитные колебания,частота которых совпадает с частотой генератора. Эти колебания, сопровождаемые переменным током проводимости в витке, дают начало электромагнитной волне, распространяющейся вдоль системы. Пусть в некоторый момент времени электрическое поле направлено вверх и увеличивается по абсолютной величине. При этом
– поверхностные заряды, создающие это электрическое поле. Согласно теории Максвелла, изменяющееся электрическое поле, т. е. ток смещения, вызывает появление магнитного поля. Применяя правило буравчика, находим направление магнитного поля , также увеличивающегося по абсолютной величине. Но изменяющееся магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля , направление которого определяется правилом Ленца. Если бы проводов не было, то силовые линии поля содержали бы участки, отмеченные на рис. 1 пунктиром. Наличие проводов деформирует поле так, что силовые линии становятся перпендикулярны проводам, вызывая появление поверхностных зарядов
. При этом в проводах возникают токи проводимости i 1 , которые в любом сечении линии равны по величине и противоположны по направлению. Разумеется также, что возрастающему полю сопутствует появление магнитного поля . Поле в точке 1 направлено противоположно полю и, следовательно, будет уничтожать последнее равно как поле уничтожит . Таким образом, поля и исчезнут, но появятся поля и в соседней точке пространства. В последующие моменты времени явление будет протекать аналогично. Электрические и магнитные поля, взаимно превращаясь друг в друга, распространяются вдоль линии. Если линия находится в вакууме, то скорость переноса энергии практически совпадает со скоростью электромагнитных волн в вакууме.

Распространение электромагнитного поля вдоль линии, как мы видели, сопровождается распространением волн тока проводимости i , поверхностных зарядов , а также волны разности потенциалов U между проводами (в плоскости, перпендикулярной линии). Векторы и перпендикулярны друг другу и скорости распространения волны . В бегущих вдоль неограниченной линии волнах все величины E , В , i , U и колеблются синфазно, одновременно достигая максимального значения и одновременно уменьшаясь до нуля. Если генератор индуцирует в линии гармонические колебания с частотой , то любая из вышеназванных волн может быть описана следующим уравнением:

, (1)

где х – расстояние от начала линии.

Моментальная фотография бегущих вдоль системы Лехера волн, длина которых равна , изображена на рис. 2.

Рассмотрим теперь процессы, происходящие в системе Лехера, если она накоротко замкнута в точке
. В этом случае переменный ток проводимости в правом короткозамкнутом мостике даст начало отраженной электромагнитной волне (а также отраженным волнам i , U , ) распространяющейся в отрицательном направлении оси x . Механизм возникновения и распространения отраженной волны полностью аналогичен ранее рассмотренному механизму распространения прямой волны, возникающей в левом короткозамкнутом витке. Электромагнитная волна, отраженная в точке , распространяется вдоль линии, вновь отражаясь в точке х = 0, и т. д. Многократно отраженные от концов линии волны складывается между собой и с падающей волной, в результате чего в системе возникают сложные электромагнитные колебания.

При произвольной длине ℓ отраженные волны в любой точке линии имеют случайную фазу и, складываясь, в среднем гасят друг друга. В этих условиях амплитуда результирующих колебаний мала, а также мал ток проводимости в линии. Иная картина имеет место, если на длине линии укладывается целое число длин полуволн
(n = 1, 2, … – целое число;
). Волна, пройдя расстояние 2ℓ , не изменяет в этом случае фазу, поэтому многократно отраженные волны в каждую точку линии приходят с неизменной разностью фаз. В зависимости от величины разности фаз или от координаты точки эти волны усиливают или ослабляют друг друга. В линии устанавливаются стоячие волны с наибольшей амплитудой колебаний. В частности, наибольшей величины достигает ток проводимости, и включенная в линию лампочка накаливания загорается наиболее ярко. Говорят, что в этом случае система Лехера настроена в резонанс с частотой генератора.

Опишем математически стоячие волны, рассматривая однократное отражение и считая, что волна в точке отражается, полностью. Тогда уравнение отраженной волны имеет вид

. (2)

Знак «+» у слагаемого связан с тем, что отраженная волна распространяется в отрицательном направлении оси х . Угол  характеризует изменение фазы волны при отражении, причем значение этого скачка различно для различных величин.

Складывая (1) и (2), найдем уравнение стоячей волны

. (3)

Амплитуда колебаний стоячей волны определяется сомножителем

.

В точках, где

,

амплитуда колебаний равна нулю. Эти точки называются узлами стоячей волны. В точках, удовлетворяющих условию

,

амплитуда достигает максимума. Это так называемые пучности стоячей волны. Расстояние между соседними узлами такое же, как и между соседними пучностями, и равно .

Используя граничные условия, найдемизменение фазы при отражении для различных волн.

Касательная составляющая электрического поля на границе идеального проводника (короткозамыкающего мостика) должна быть равна нулю, ибо в противном случае в проводнике возник бы бесконечно большой ток. Для обеспечения нуля на границе напряженность отраженного электрического поля в каждый момент времени имеет направление, противоположное напряженности падающей волны. Иными словами, напряженность бегущей волны и отраженной находятся в противофазе,
, и на границах линии (
) имеет место узел электрического поля.

Разность потенциалов и поверхностная плотность зарядов однозначно определяется напряженностью электрического поля, поэтому на границах линии U и  также имеют узел. Впрочем, последний.результат следует и из иных соображений: разность потенциалов на концах короткозамыкающего проводника всегда равна нулю. Ток в короткозамыкающем проводнике максимален, поэтому величина тока и создаваемое им магнитное поле на краях линии имеют пучность, т. е. в этом случае  = 0. Используя (3), можно теперь конкретизировать уравнение стоячей волны:

,
. (4)

Из (4) следует, что в стоячей электромагнитной волне колебания электрического и магнитного полей происходят не в фазе. Пучности электрического поля совпадают при этом с узлами магнитного поля и наоборот (рис. 3). Причина сдвига фаз заключается в различных условиях отражения на границе для электрического и магнитного полей.

Целью настоящей работы является: 1) изучение распределения напряженности электрического поля и индукции магнитного поля вдоль линии; 2) определение длины электромагнитной волны и частоты колебаний генератора.

2. Описание установки

Установка (рис. 4) состоит из двухпроводной линии N M , генератора электромагнитных колебаний Г и двух сменных зондов: МЗ – для измерения магнитного поли и ЭЗ – для измерения электрического поля. Тот или другой зонд вставляется в соответствующее гнездо на ползуне, который может перемещаться вдоль линии. Положение зонда отсчитывается по шкале. В начале линии помещена лампочка накаливания Л , являющаяся измерителем тока. В конце линии имеется передвижной закорачивающий мостик М , служащий для настройки линии Лехера в резонанс. Генератор питаемся от регулируемого выпрямителя ВУП-2.

Магнитный зонд представляет собой петлю (виток), плоскость которой параллельна плоскости проводов линии. Переменное магнитное поле линии возбуждает в петле ЭДС индукции. Возникающий переменный ток выпрямляется детектором Д и регистрируется микроамперметром постоянного тока.

Электрический зонд представляет собой небольшой диполь, расположенный перпендикулярно проводам линии. Переменное электрическое поле возбуждает в диполе переменный ток, который выпрямляется детектором Д и регистрируется микроамперметром постоянного тока. Зависимость между напряженностью электрического поля Е , индукцией магнитного поля В и токами через измерительный прибор I дет вследствие наличия в цепи детектора не является линейной. Эта зависимость определяется типом детектора, и в наших условиях ее можно считать квадратичной:
и
. Коэффициенты пропорциональности k 1 и k 2 зависят от размеров зондов (диполя и петли), расположения зондов относительно проводов линии и для данной установки являются константами. Отсюда следует:

Е ~
; B ~ . (5)

3. Порядок выполнения работы

Включают выпрямитель питания генератора. После прогрева катода лампы генератора устанавливает ручку анодного напряжения в среднее положение, следя за накалом лампочки в начале линии (лампочку не перекаливать).

Перемещением мостика М настраивают систему в резонанс с генератором по максимуму накала лампочки, уменьшая при этом, если, нужно, анодное напряжение (не перекаливать лампочку).

Поместив в гнездо на ползуне один из зондов, перемещает его вдоль всей линии и снимают зависимость показаний прибора от длины линии I дет (х ).

Заменяют зонд и повторяют измерения. Измерения проводят через 2 – 5 см, отмечая особо точки максимумов и минимумов. Для каждого зонда подбирают анодное напряжение на лампе генератора такими, чтобы в пучности отклонение стрелки микроамперметра было не менее 2/3 шкалы. Результаты измерений заносят в таблицы.

Э – зонд Таблица 1

I дет

М – зонд Таблица 2 среднее расстояние между соседними узлами стоячей волны, найденное из линией длиной L = 10 ... Установка для исследования индивидуальных средств безопасности... 102 МГц в системе устанавливаются стоячие электромагнитные волны . Перемещая вдоль проводов газоразрядную...

И контрольные задания по физике

Учебно-методическое пособие

Веществом. Дозиметрические величины. Основные методы исследования радиоактивных излучений. Тема 19. ... шестым узлами равно 1,5 м. По двухпроводной линии , в которой распространяется стоячая электромагнитная волна , перемещается лампочка, контакты которой...

Программа дисциплины «Электромагнитные поля и волны» для направления 210700. 62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Программа дисциплины

... электромагнитных волн в линиях передачи. Ортогональность волн в линиях передачи. Эквивалентные параметры линии связи. Коэффициенты отражения и стоячей волны . Входное сопротивление линии ...

Конспект лекций 2010 г. Содержание 1 Средства измерений технологических параметров 4 1Средства измерения давления 12

Конспект лекций

И научных исследованиях . Чувствительные элементы... передается по искробезопасной двухпроводной линии дистанционной передачи... 1.3.3.2 Электромагнитные расходомеры. В основе электромагнитных расходомеров... микрофонов вблизи узлов стоячей волны . При скорости...

Если две одинаковые бегущие волны распространяются вдоль оси “у” навстречу друг другу, то при наложении этих волн возникают колебания среды, называемые стоячей волной. Для получения уравнения стоячей волны сложим уравнения (1.27):

Произведя тригонометрические преобразования, найдем:

это и есть уравнение стоячей волны.

Величина

есть амплитуда волны. Она зависит от координаты “у” колеблющейся точки и не зависит от времени t, т.е. не наблюдается волнового движения и переноса энергии (отсюда и название -стоячая волна).

В точках, в которых выполняется условие

(m=0, 1, 2, 3,…)

амплитуда стоячей волны максимальна и равна 2А (пучности волны ).

В точках, где , амплитуда стоячей волны обращается в нуль. Эти точки называются узлами стоячей волны . Из Рис. 1.11 видно, что

наименьшее расстояние между соседними пучностями или узлами равно λ/2. Стоячие волны образуются при колебаниях в телах ограниченных размеров вследствие отражения их от границ тел, (например, при колебаниях струны).

Упругие волны, имеющие частоту примерно от 16 до 20000 Гц, воспринимаются ухом человека и называются звуковыми . При частоте ν<16 Гц упругие волны называются инфразвуками , а при ν>20000 Гц – ультразвуковыми . В жидкостях и газах звуковые волны могут быть только продольными. Распространение звука сопровождается попеременным сжатием и растяжением участков среды и соответствующим изменением давления в сравнении с давлением в невозмущенной среде. Переменная составляющая давления ±Dр(акустическое давление ) обусловливает восприятие звука, взывая вынужденные колебания барабанной перепонки уха или мембраны микрофона.

Звуки различают по высоте, тембру и громкости. Звуки, соответствующие синусоидальным волнам (например, от камертонов), называются тонами . Высота тона определяется частотой колебаний. Музыкальные звуки являются наложением ряда гармонических колебаний, образующих акустический спектр звука . Наименьшая частота ν этого спектра (основной тон ) определяет высоту звука, а высшие частоты (обертоны ) – его тембр .

Громкость звука связана с его интенсивностью I, которая характеризует среднее значение плотности потока энергии, переносимой звуковой волной. Ухо человека способно воспринимать звук в широком диапазоне интенсивности. При частоте 1000 Гц границами этого диапазона являются I 0 »10 -12 Вт/м 2 (порог слышимости ) и I max »10 Вт/м 2 (болевой порог ). Значения I 0 и I max зависят от частоты. Громкость звука L как характеристика субъективного восприятия звуковой волны приблизительно пропорциональна логарифму ее интенсивности:

где I 0 – некая стандартная для всех частот начальная интенсивность, принимаемая равной 10 -12 Вт/м 2 (она соответствует порогу слышимости при частоте 1000 Гц). Громкость звука измеряется в белах (Б) . Чаще используют дольную единицу – децибел (дБ) . В этом лучае:

Изменению интенсивности звуковой волны от I 0 до I max соответствует изменение громкости звука от 0 до 130 дБ. Примерные значения L и I для некоторых звуков:

При нормальных атмосферных условиях (t=0 0 С и р=0,1013 МПа) скорость звука в воздухе составляет 344 м/с, а при изменении температуры определяется по формуле:

,

где t с – температура воздуха, 0 С.

1.9. Электромагнитные волны, свет , поляризация света и закон Малюса

Электромагнитные волны возникают при любом ускоренном движении электрических зарядов и в том числе при их колебательном движении.

Электромагнитные волны – это распространение в пространстве взаимосвязанных изменяющихся электрического и магнитного полей. Совокупность этих полей, называется электромагнитным полем . Несмотря на то, что длины электромагнитных волн и их свойства различны, все они, начиная от радиоволн и заканчивая гамма-излучением, – одной физической природы. Исследованный в настоящее время диапазон электромагнитных волн состоит из волн с длинами, соответствующими частотам от 10 3 до 10 24 Гц. По мере убывания длины волны в диапазон включаются радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения.

Электромагнитное излучение распространяется практически во всех средах. В вакууме электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя свое поведение).

Свободное электромагнитное поле не может оставаться постоянным во времени. Чтобы существовало электрическое поле, необходимо изменение магнитного, а для существования магнитного - изменение электрического. Можно показать, что поле не может занимать неизменную область пространства и будет распространяться со скоростью света. Из уравнений Максвелла вытекает, что векторы и в этом поле взаимноперпендикулярны.

Если повернуть буравчик с правой нарезкой от вектора к вектору , то его поступательное движение укажет направление распространения свободного электромагнитного поля.

Значения векторов и вдоль линии распространения свободного электромагнитного поля образуют две синусоиды, расположенные в перпендикулярных плоскостях (Рис. 1.12) и процесс распространения электромагнитного поля имеет характер волны (электрическое и магнитное поля распространяются в пространстве, не изменяя взаимного расположения).

Электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль направления , описывается уравнениями типа (1.26):

,

где Е 0 и Н 0 – амплитуды векторов электрической и магнитной напряженно -

Рис. 1.12

стей волны; с – скорость света в вакууме.

При этом в каждой точке пространства, через которую проходит свободное электромагнитное поле (электромагнитная волна), происходят синусоидальные колебания векторов Е и В . В любом проводнике, расположенном вдоль силовых линий или образующем контур, сцепленный с магнитным полем, свободное электромагнитное поле вызовет колебания тока и напряжения (принцип радиоприема).

Важнейшими характеристиками электромагнитного излучения являются:

1. Объемная плотность энергии (энергия содержащаяся в единице объема) электромагнитного поля при отсутствии среды:

ω = ω э + ω м = , (1.31)

Здесь ω э – плотность энергии электрической составляющей поля, ω м – магнитной. Можно показать, что ω э = ω м.

2. Плотность потока энергии (интенсивность) - энергия, переносимая волной за 1 с через единицу перпендикулярной потоку площадки.

, (1.32)

Как следует из (3), интенсивность волны пропорциональна квадрату напряженностей Е и Н, которые, в свою очередь, пропорциональны частоте n волны, т.е. S ~ n 2 . Поэтому источниками наиболее интенсивного электромагнитного излучения являются разнообразные СВЧ излучатели: радары, микроволновые печи, сотовые телефоны и т.п.

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см.таблицу 1.1). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения в вакууме постоянна, то его частота жестко связана с длиной волны.

Таблица 1.1

название диапазона	длины волн, λ	частоты, ν	источники
Радиоволны	сверхдлинные	более 10 км	менее 30 кГц	Атмосферные и магнитосферные явления. Радиосвязь.
длинные	10 км - 1 км	30 кГц - 300 кГц
средние	1 км - 100 м	300 кГц - 3 МГц
короткие	100 м - 10 м	3 МГц - 30 МГц
ультракороткие	10 м - 1 мм	30 МГц - 300 ГГц 4
Инфракрасное излучение	1 мм - 780 нм	300 ГГц - 429 ТГц	Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях.
Видимое (оптическое излучение)	780 - 380 нм	429 ТГц - 750 ТГц
Ультрафиолетовое	380 - 10 нм	7,5∙10 14 Гц - 3∙10 16 Гц	Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.
Рентгеновские	10 нм - 5 пм	3∙10 16 Гц - 6∙10 19 Гц	Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц.
Гамма	менее 5 пм	более 6∙10 19 Гц	Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад.

Свет – это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Световые волны по своей физической природе ничем не отличаются от других электромагнитных волн, например, радиоволн, рентгеновских или гамма – лучей.

Как показывает опыт, зрительные ощущения, фотоэлектрическое и фотохимическое действие света вызываются колебаниями электрического вектора . Поэтому, далее свет мы будем характеризовать световым вектором .

Свет, излучаемый любым нагретым телом, представляет собой наложение огромного количества волн (цугов волн), испущенных его отдельными атомами. Атомы излучают свет независимо друг от друга, т.е. частоты, начальные фазы и пространственная ориентация векторов цугов, создаваемых разными атомами, никак не связаны друг с другом. Время излучения отдельного атома с. За это время излученная им волна успевает распространиться на расстояние . Это и есть длина одного цуга.

Схематически луч естественного света, где присутствуют цуги с любой пространственной ориентацией светового вектора показан, на Рис. 1.13.а, 1.13.в.

поляризованном (б) и частично поляризованном (в) свете.

Свет, в котором колебания вектора происходят только в одном направлении (имеют полярность), называется поляризованным (рис. Рис. 1.13. б).

Свет, в котором вектор имеет преимущественную ориентацию колебаний в каком - либо направлении, называется частично поляризованным (Рис. 1.13. в).

Плоскость, в которой совершает колебания вектор , называется плоскостью колебаний . По историческим причинам плоскость, в которой колеблется вектор , назвали плоскостью поляризации .

Представим каждый вектор в луче естественного света, как сумму двух взаимно перпендикулярных составляющих: = х + y . Тогда формально, луч естественного света можно представить как результат наложения двух поляризованных лучей, в одном из которых, все векторы колеблются вдоль оси х, а в другом – вдоль оси y. Схематически это изображено на Рис. 1.14.

Рис. 1.14. Схематическое изображение луча естественного света.

Естественный свет можно превратить в поляризованный с помощью приборов, которые называются поляризаторами .

Любой поляризатор удобно представить как совокупность параллельных плоскостей, называемых плоскостями пропускания . Если вектор волны, падающей на поляризатор параллелен плоскостям пропускания, то волна проходит через поляризатор. Если перпендикулярен – то не проходит. В промежуточном случае, когда составляет угол с плоскостями пропускания через поляризатор, как видно из Рис.1.15 проходит составляющая .

Рис. 1.15. Прохождение естественного света через поляризатор

Так как интенсивность излучения I пропорциональна Е 2 (см.1.32), то интенсивность света прошедшего через поляризатор:

Соотношение (1.33) носит название закона Малюса (1810): интенсивность света I, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна интенсивности I 0 падающего света и квадрату косинуса угла между плоскостью пропускания поляризатора и плоскостью колебания светового вектора в падающем луче. Если на поляризатор падает естественный свет, то, т.к. в естественном луче равновероятны все направления колебаний вектора (рис.1.13 а), то и , т.е. поляризатор всегда пропускает половину интенсивности естественного света.

Рис.1.16. Скрещенные поляризатор а) и анализатор б)

Элементом большинства поляризационных приборов является схема (Рис.1.16) состоящая из двух последовательно расположенных на одной оси поляризаторов (второй из них называют анализатором ).

Если их плоскости пропускания взаимно перпендикулярны (скрещенные поляризаторы ), то схема не пропускает естественный свет. Изменение угла между плоскостями пропускания приводит к изменению интенсивности прошедшего через систему света по закону Малюса.

Рассмотрим некоторые способы поляризации.

Пусть луч света падает на плоскопараллельную стеклянную пластинку (Рис.1.17).

Колебания вектора в волне могут быть разложены на колебания в плоскости чертежа, обозначенные стрелками, и на колебания, перпендикулярные плоскости чертежа, обозначенные точками. Если угол падения i 1 луча на пластинку удовлетворяет условию:

Или tgi 1 = n 21 (1.34)

то луч, отраженный от пластинки, оказывается линейно поляризованным . Здесь n 21 – показатель преломления второй среды относительно первой вблизи границы их раздела. Уравнение (1.34) носит название закона Брюстера . Преломленный луч при выполнении условия (1.34) будет частично поляризованным. Можно также показать, что лучи преломленный и отраженный в этом случае будут взаимно перпендикулярными. При других углах падения оба луча будут частично поляризованными.

Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической симметрии) обладают способностью двойного лучепреломления . Явление двойного лучепреломления наблюдается, например, в кристаллах кварца, исландского шпата (СаСО 3), турмалина и др. Этот эффект заключается в том, что направленный на такой кристалл луч даже при нормальном падении делится на два луча, один из которого является продолжением первичного и называется обыкновенным , а другой, в нарушение закона преломления, отклоняется и потому называется необыкновенным (Рис.1.18).

Проектирование высокочастотных схем должно учитывать два важных, хотя и несколько таинственных явления: отражения и стоячие волны.

Из нашего опыта с другими областями науки мы знаем, что волны связаны с особыми типами поведения. Световые волны преломляются, когда перемещаются из одной среды (например, воздух) в другую (например, стекло). Водные волны дифрагируют, когда сталкиваются с лодками или большими скалами. Звуковые волны интерферируют, что приводит к периодическим изменениям громкости (так называемые «биения»).

Электрические волны также подвержены поведению, которое мы обычно не связываем с электрическими сигналами. Однако общее отсутствие знакомства с волновой природой электричества не удивительно, потому что во многих схемах эти эффекты незначительны или не существуют. Инженер из цифровой или низкочастотной аналоговой схемотехники может работать в течение многих лет и успешно разрабатывать много схем, не получая глубокого понимания волновых эффектов, которые становятся заметными в высокочастотных схемах.

Как обсуждалось в предыдущей статье, соединение, которое подвержено особому поведению высокочастотного сигнала называется линией передачи. Влияние линии передачи существенно только тогда, когда длина соединения составляет, по меньшей мере, одну четверть длины волны сигнала; таким образом, нам не нужно беспокоиться о свойствах волн, если мы не работаем с высокими частотами или очень длинными соединениями.

Отражение

Отражение, рефракция, дифракция, интерференция - все эти классические волновые поведения применимы к электромагнитному излучению. Но на данный момент мы по-прежнему имеем дело с электрическими сигналами, то есть сигналами, которые еще не были преобразованы антенной в электромагнитное излучение, и, следовательно, нам нужно заняться только двумя из них: отражением и интерференцией.

Аналогия с водной волной

Отражения возникают, когда волна сталкивается с неоднородностью. Представьте себе, что буря привела к тому, что большие волны воды распространяются через нормально спокойную гавань. Эти волны в конечном итоге сталкиваются с твердой каменной стеной. Мы интуитивно знаем, что эти волны отразятся от каменной стены и будут распространяться назад в гавань. Тем не менее, мы также интуитивно знаем, что водные волны, разбивающиеся о пляж, редко приводят к значительному отражению энергии, возвращающейся в океан. В чем разница?

Волны переносят энергию. Когда волны воды распространяются через открытую воду, эта энергия просто перемещается. Однако когда волна достигает неоднородности, плавное движение энергии прерывается; в случае пляжа или скальной стены распространение волн уже невозможно. Но что происходит с энергией, передаваемой волной? Она не может исчезнуть; она должна быть либо поглощена, либо отражена. Каменная стена не поглощает энергию волны, поэтому происходит отражение - энергия продолжает распространяться в волновой форме, но в противоположном направлении. Однако пляж позволяет рассеивать энергию волны более постепенным и естественным образом. Пляж поглощает энергию волны, и поэтому происходит минимальное отражение.

От воды к электронам

Электрические схемы также представляют собой неоднородности, которые влияют на распространение волн; в этом контексте критическим параметром является импеданс. Представьте себе электрическую волну, движущуюся по линии передачи; это эквивалентно водной волне в середине океана. Волна и связанная с ней энергия плавно распространяется от источника к нагрузке. В конце концов, электрическая волна достигает своего назначения: антенны, усилителя и т.д.

Из предыдущей статьи мы знаем, что максимальная передача мощности происходит, когда величина импеданса нагрузки равна величине импеданса источника. (В этом контексте «импеданс источника» также может относиться к характеристическому сопротивлению линии передачи.) При согласованных импедансах действительно нет неоднородности, так как нагрузка может поглощать всю энергию волны. Но если импедансы не совпадают, поглощается только часть энергии, а оставшаяся энергия отражается в виде электрической волны, движущейся в противоположном направлении.

На количество отраженной энергии влияет серьезность рассогласования между импедансами источника и нагрузки. Два наихудших сценария - это разомкнутая цепь и короткое замыкание, соответствующие бесконечному импедансу нагрузки и нулевому импедансу нагрузки соответственно. Эти два случая представляют полную неоднородность; никакая энергия не может быть поглощена, и, следовательно, отражается вся энергия.

Важность согласования

Если вы участвовали в радиочастотном проектировании или тестировании, вы знаете, что согласование импеданса является распространенной темой обсуждений. Теперь мы понимаем, что импедансы должны быть согласованы, чтобы предотвратить отражения. Но зачем так сильно беспокоиться об отражениях?

Первая проблема - просто эффективность. Если у нас есть усилитель мощности, подключенный к антенне, мы не хотим, чтобы половина выходной модности отражалась обратно в усилитель. Ведь цель состоит в том, чтобы генерировать электрическую энергию, которая может быть преобразована в электромагнитное излучение. В общем, мы хотим переместить мощность из источника в нагрузку, а это значит, что отражения должны быть минимальны.

Вторая проблема немного более тонкая. Непрерывный сигнал, передаваемый по линии передачи на несогласованный импеданс нагрузки, приведет к непрерывному отраженному сигналу. Эти падающие и отраженные волны проходят друг к другу, идя в противоположных направлениях. Интерференция приводит к появлению стоячей волны, то есть стационарной волновой форме, равной сумме падающей и отраженной волн. Эта стоячая волна на самом деле создает изменения пиковой амплитуды вдоль физической длины кабеля; определенные места имеют более высокую пиковую амплитуду, а в других местах пиковая амплитуда более низкая.

Стоячие волны приводят к напряжениям, которые выше, чем исходное напряжение передаваемого сигнала, и в некоторых случаях этот эффект является достаточно сильным, чтобы нанести физическое повреждение кабелям и компонентам.

Резюме

• Электрические волны подвержены отражению и интерференции.
• Волны воды отражаются, когда достигают физического препятствия, такого как каменная стена. Аналогичным образом, электрическое отражение возникает, когда сигнал переменного тока сталкивается с неоднородностью импеданса.
• Мы можем предотвратить отражение путем согласования импеданса нагрузки с характеристическим сопротивлением линии передачи. Это позволит нагрузке поглощать энергию волны.
• Отражения являются проблемой, поскольку они уменьшают количество энергии, которое может быть передано от источника к нагрузке.
• Отражения также приводят к появлению стоячих волн; высокоамплитудные участки стоячей волны могут повредить компоненты или кабели.