Вибратор Герца. Излучение электромагнитных волн
Вибратор (антенна) Герца является самым простым примером излучающей системы электрического типа. Он представляет собой диполь электрического типа с переменным во времени моментом. Как показывала практика, для основной части антенны достаточно было пары шариков из металла, соединенных проводником, представляющим собой стержень из металла с малым искровым промежутком в середине. Шарам сообщают противоположные знаками, но аналогичные по модулю заряды, и система предоставляется самой себе. В ней происходит процесс колебательного характера, состоящий в перезарядке шариков. Если у шариков малое сопротивление, тогда потери благодаря излучению окажутся в разумных пределах и в таком случае затуханием колебаний можно пренебрегать на протяжении нескольких периодов. Рассматриваемую антенну считать диполем, имеющим переменный временной момент. Сама антенна также известна как диполь Герца.
Конструкция подобного типа была применена Герцем, который первым смог получить волны электромагнитного типа. Электроемкость рассматриваемой системы, по большой части зависит от электроемкости шаров, в то время как индуктивность определяется коэффициентом самоиндукции стержня. Катушка выступает как возбудитель колебаний. Если напряжение переменного типа достигает показателя пробивного напряжения вторичной катушечной обмотки, тогда возникнет искра в искровом промежутке, а половинки системы будут замыкаться. Возникают высокие по частоте колебания, сопровождаемые электромагнитным излучением. Частота колебаний в проводимых Герцем экспериментах достигала отметки в 100 000 000 Гц. Для регистрации электромагнитных волн, физиком был применен резонатор - кольцо проволоки с искровым промежутком. В данном проволочном кольце, под воздействием электромагнитного поля, возникали вынужденные колебания. Частоты кольца и антенны совпадали, а потому наблюдался частотно-избирательный отклик (резонанс). Амплитуда резонаторных вынужденных колебаний достигала больших значений, колебания можно было обнаружить по проскакивающей в искровом промежутке искре.
Если уменьшить размеры шаров, соответственно уменьшится и их электроемкость, а частота колебаний увеличится. Таким образом, немецкому физику удалось получить электромагнитное излучение в виде коротких волн.
Спустя некоторое время П.Н. Лебедевым был собран вибратор, состоящий из пары кусков платиновой проволоки, каждый из которых имел длину 1,5мм. Как результат - были получены электромагнитные волны до 6 мм в длину.
А.А. Глаголевой - Аркадьевой был использован так называемый массовый излучатель, где в качестве миниатюрного вибратора были задействованы опилки металла в вязком масле, благодаря чему ей удалось добиться излучения с мкм.
Скалярный потенциал диполя (φ(r,t)), переменного во времени может быть определен как:
Рис. 1
где считаем, что он ограничен в вакууме (ε=1, μ=1). При расчете φ(r,t), как правило начало координат помещается в зоны распределения заряда, при этом расположение начала данной зоны не имеет особого значения, поскольку диполь по своим размерам считается малым относительно расстояния до точек рассмотрения поля. ξ - радиус-вектор элемента объема dVξ, r′ является расстоянием между точкой наблюдения (рис.1) и элементом объема dVξ.
В случае больших расстояний от диполя () потенциал последнего может быть рассчитан как:
Поле антенны в зоне волны
Если расстояние r до точек поверхности волны соответствует условию: , а момент диполя (
) изменяется согласно гармоническому закону:
(!!!)
индукция электромагнитного поля и напряженность волновой зоны вибратора имеет следующий вид:
(!!!)
Согласно системе уравнений (5) в волновой зоне магнитный и электрический векторы располагаются перпендикулярно относительно друг друга, а радиус - вектору . Параллельно с этим волне свойственна сферическая симметрия. Поскольку
, небольшие зоны поверхности сферической волны могут быть приняты в качестве плоских волн электромагнитного типа.
Излучение электромагнитных волн
Под излучением электромагнитных волн подразумевают процесс возникновения волны излучающей (электрической) системой. Электромагнитное поле в таком случае называется полем излучения.
Системой с переменным током создается электромагнитное поле переменного типа, следовательно, излучаются и электромагнитные волны. Если система невелика по размерам в сравнении с волновой длиной (λ), тогда излучение будет небольшим. В таких условиях системный ток может считаться квазистационарным. Генерируемые отдельными участками системы с направлениями в разные стороны и равными токами электромагнитные поля будут ослаблять друг друга. Отсюда следует, что общее переменное электромагнитное поле будет стремительно ослабевать, при условии, если расстояние от системы будет увеличено, то есть этой антенной практически не будут излучаться волны.
Для получения электромагнитного излучения можно прибегнуть к ламповым генераторам. С их помощью можно достичь соответствующих колебаний практически любой мощности и обладающие практически правильной синусоидальной формой. Чтобы получить системные колебания, можно прибегнуть к нескольким виткам связи между его половинами ВВ (рис.2), для чего их необходимо расположить около катушки K и дампового генератора Г. Чтобы усилить колебания в антенне, прибегают к резонансу, который делают частоту генератора аналогичной частоте основного вибраторного колебания. Выявление колебаний в приемной антенне осуществляют при помощи детектора или небольшой лампы.
Рис. 2
Опыты Герца подтвердили предсказанные Максвеллом свойства электромагнитных волн. Как пример, опыты продемонстрировали, что волны электромагнитного типа являются поперечными. Электромагнитные волны, подобно световым волнам, отражаются от поверхности раздела пары диэлектриков и металлических поверхностей, а также могут преломляться, переходя через поверхность.
Спустя некоторое время после испытаний Герца электромагнитные волны начали применять в реализации беспроводной связи. Первый радиоприемник, который был способен фиксировать излучение грозовых разрядов, был создан А.С. Поповым. Помимо этого посредством электромагнитных волн выполняется передача изображения (телевидение) и звука (радиовещание), были разработана радиолокация. Такое излучение нашло своё применение в самых разнообразных радиотехнических устройствах.
Задание: Необходимо объяснить, почему колебательные контуры закрытого типа (конденсатор и катушка) не подходят для получения электромагнитного излучения, а также, почему с целью передачи высокочастотного тока прибегают к коаксиальному кабелю?
Решение: Колебательный контур, который включает в себя катушку коэффициента самоиндукции и конденсатор, практически не излучает электромагнитное излучение, поскольку его электромагнитное поле переменного типа локализовано исключительно в пространстве между соленоидом и обкладками конденсатора. В окружающем пространстве поле практически соответствует нулю.
Кабель коаксиального типа состоит из идущего по оси проводника (цилиндра) центрального провода, отделяемого слоем диэлектрика от цилиндрического проводника. Электромагнитное поле кабеля такого типа не выходит за пределы диэлектрика.
Задание: Какова средняя мощность излучения антенны за период?
Решение: для решения необходимо прибегнуть к определению электромагнитного энергетического потока. Учитывая S поверхности сферы и её радиус r получаем:
В последнем выражении была получена мощность потока - энергия излучения антенны за секунду. Мощность излучения в среднем за период будет следующей:
Ответ: