|
| |
|
Слаботочка Книги связанного электрического поля, а возрастающий ток вибратора вызывает появление и рост связанного с ним магнитного поля, которое согласно второму уравнению Максвелла возбуждает свободное электрическое поле. В создании этого поля участвует также ранее образовавшееся свободное магнитное поле, которое за это время успело распространиться в зону радиусом Ш -г Я/2. Таким образом, к моменту времени /4 = Г/2 вокруг вибратора образовалось свободное электрическое поле, охватывающее магнитное поле; последнее по своему характеру преимущественно связанное в зоне радиусом Я/4 и свободное в зоне радиусом Я/4 Я/2. В третью четверть периода (/ = /4 -т- - TI2 ~ 3TIA) ток, уменьшаясь, заряжает вибратор со знаком плюс на нижнем шаре и минус - на верхнем. Возникает новая область связанного Электрическоего поля, которая достигает границ зоны радиусом Я/4. Поскольку силовые линии этого поля имеют такое же направление, как и внутренняя часть силовых линий свободного электрического поля, то первые отталкивают вторые, подтверждая этим, что свободное электрическое поле распространяется только в стороны от излучателя. За третью четверть периода свободные поля сместились еще на одну четверть длины волны (Я/2 -f- ЗЯ/4). Одновременно происходит Другой процесс: уменьшение тока вибратора сопровождается исчезновением связанного с ним магнитного поля, но так как связанное электрическое поле изменяется (возрастает), то образуется свободное магнитное поле. В этом частично участвует и вихревое электрическое поле вблизи границы сферы радиусом Я/4. Теперь уже вихревое электрическое поле полностью совмещено со свободным магнитным полем. В последнюю четверть периода (/ = /5 -г /в = 37/4 -г Т) напряжение на вибраторе падает до нуля, связанное электрическое поле исчезает вместе с зарядами вибратора, но возрастающий ток вибратора возбуждает связанное магнитное поле, охватывающее зону радиусом Я/4. Последнее, в свою очередь, вызывает свободное электрическое поле, силовые линии которого располагаются по обе стороны этой зоны. Ранее полученное свободное электромагнитное поле за то же время успело удалиться от вибратора еще на четверть длины волны, т. е. достигло сферы радиусом Я. Описанный процесс повторяется через каждый период. Выводы Полученное электромагнитное поле называется нестационарным. В так называемой ближней зоне, примыкающей к вибратору, нестационарное поле в основном связанное. Его магнитная составляющая подчиняется закону Био - Савара и по напряженности поля обратно пропорциональна квадрату расстояния от вибратора, а в электрической составляющей, поскольку она образована диполем, т. е. двумя разноименными зарядами, напряженность обратно пропорциональна кубу расстояния. Между связанным электрическим и магнитным полями сдвиг по фазе равен 90°. в дальней зоне связанных полей нет и имеется только свободное электромагнитное поле. Свойства его следующие: 1) обе составляющие поля имеют вихревой характер; 2) в свободном электромагнитном поле электрическая и магнитная составляющие имеют не только одинаковую частоту, но и равную фазу. Действительно, если бы эти составляющие возникали в одном и том же месте одновременно, то сдвиг по фазе на 90°, имеющийся между напряжением и током, сохранился бы и между свободными электрическим и магнитным полями. В данном случае происходит иное: свободное магнитное поле, возникшее, скажем, в момент /г = Т1А, оказалось совмещенным в пространстве со свободным электрическим полем, образовавшимся в момент = Т/2 (см. рис. 13.27, б, д)\ за эту четверть периода (7/4 7/2) магнитное поле успело изменить свою фазу на 90° и оказалось синфазным с только что образовавшг.мся свободным электрическим полем; 3) в любой точке сферы, окружающей вибратор в дальней зоне, векторы Е и Н взаимно перпендикулярны и находятся в плоскости, касательной к этой сфере (рис. 13.27, ж). Все перечисленные свойства совпадают со свойствами бегущих электромагнитных волн, о которых говорилось в § 84. Это позволяет сказать: электромагнитное поле в дальней зоне антенны свободное и распространяется в свободном пространстве со скоростью света в виде бегуиих электромагнитных волн; 4) вектор Пойнтинга Я, построенный в соответствии с векторами Е и указывает на то, что электромагнитные волны диполя излучаются радиально относительно его центра. Значит, диполь Герца излучает сферические электромагнитные волны. Среднюю точку диполя, центр сферического фронта диполя, называют фазовым центром волны; 5) антенна, как правило, создает направленное излучение. Это относится и к диполю Герца. Так, судя по густоте силовых линий в направлениях 00, ОЛ, ОВ, ОС (рис. 13.27, ж), можно сказать, что напряженности полей диполя возрастают от нуля до максимума по мере отклонения от его оси к экваториальной плоскости, т. е. к плоскости, которая перпендикулярна оси диполя и проходит через середину вибратора; 6) в данной точке пространства напряженность свободного электрического поля, как и магнитного, обратно пропорциональна расстоянию от этой точки до фазового центра волны. Во введении была доказана справедливость такой зависимости для сферической волны с равномерным излучением во всех направлениях. Далее приводится доказательство того, что указанная зависимость справедлива при любой направленности излучателя сферических волн. Имеются два сферических фронта Ф, и Фг с общим фазовым центром О (рис. 13.28). Обозначим радиус первой сферы г, а радиус второй - Гг- Из множества радиальных лучей вибратора выделим какой-то пучок, в пределах которого излучение можно считать равномерным. Этот пучок в виде конуса пересекает на сфере Ф элементарную площадь dSj, а на сфере Фг - площадь dSz. Как известно, площади dS, dS пропорциональны квадратам радиусов соответствующих сфер: Если волны распространяются в свободном пространстве, то потерь энергии нет и плотность потока мощности уменьшается только за счет распределения ее на большей площади фронта. Чем  Рис. 13.28. Диаграмма, иллюстрирующая зависимость напряженности поля сферической волны от расстояния. меньше площадь dS по сравнению с dS, тем больше плотность потока мощности на первой площади по сравнению со второй: njrii = dSJdSi. Совмещая это равенство с предыдущим, имеем El Яг т. е. плотность потока мощности обратно пропорциональна квадрату расстояния (Я = 1/г). С другой стороны, известно, что плотность Я пропорциональна квадрату напряженности электрического или магнитного поля: Я = £2в = 2вЯ. Следовательно, в любой сферической волне, в том числе и образованной диполем Герца, напряженность электрического или магнитного поля обратно пропорциональна первой степени расстояния от излучателя {Е = Mr, Я = Mr). Вспомним, что именно это является причиной использования свободных, а не связанных электромагнитных полей для связи на большие расстояния. Приведенное объяснение процесса излучения электромагнитных волн неразрывно связано с толкованием того же вопроса 352 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 [116] 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 |